P 65: Photonen sind träge und haben Schwung
10.2 Photonen sind träge und haben Schwung
Wie jeder ordentlicher Körper mit Masse sind auch Photonen träge. Deswegen fliegen sie immer geradeaus. Wenn eine Kraft auf sie wirkt, werden sie von ihrer Bahn abgelenkt. Zum Beispiel zieht die Sonne vorbeifliegende Photonen von Sternen etwas zur Sonne hin. Das ist die schwere Masse der Photonen, die das macht.
Wenn Photonen träge sind, dann haben sie auch einen Schwung (den sie beibehalten möchten), sie haben einen Impuls.
Bei der Beschreibung der Entstehung von EMW werden wir diese Sichtweise noch benötigen.
Das bedeutet, man kann mit Photonen etwas anstoßen:
10.2.1: Kometenschweife
Die Photonen der Sonne stoßen winzige Staubteilchen in den Gashüllen der Kometen an und treiben sie als Staubschweif von der Sonne weg.
Die Auswirkungen des Photonenschwungs sehen wir als Kometenschweif.
(Der Sonnenwind reißt noch die Gasmoleküle aus der Hülle und erzeugt so den Gasschweif).
 |
| Komet Hale-Bopp, DLR |
10.2.2: Comptoneffekt
Compton hat das Stoßvermögen der Photonen von Röntgenstrahlung an Elektronen untersucht und festgestellt, es gilt wirklich der Impulserhaltungssatz:
Ein Photon kommt mit einem bestimmten Impuls p = m*c = h/λ an, stößt ein Elektron an und gibt ihm einen Teil des Impulses. Das Elektron fliegt mit großer Geschwindigkeit seitwärts weg.
 |
| leifiphysik |
Das Photon hat nun wengier Impuls, d.h. eine kleinere Masse (langsamer kann es ja nicht sein, es hat immer c als Geschwindigkeit), d.h. eine etwas längere Wellenlänge λ.
Dieser "Stoß" eines (Röntgen-)Photons mit einem Elektron gehorcht den Impuls- und Energieerhaltungssätzen.
Compton hat das 1923 experimentell bestätigt und 1927 dafür den Nobelpreis für Physik bekommen.
Damit hat er endgültig der Photonenvorstellung zum Durchbruch verholfen.
| Arthur H.Compton, 1892-1962 |
Korrektur der Lehrbuchmeinungen:
- Der Comptoneffekt ist beliebtes Abiturthema. Man soll mit der Comptonformel rechnen können, ohne sie herzuleiten.
Aber 2021 ist der Comptoneffekt als Thema ausgeschlossen worden.
Deshalb werde ich mal (für spätere Jahrgänge) eine Extraseite dazu schreiben.
- Von Anfang an ist der Comptoneffekt falsch interpretiert worden.
Es ist nicht ein Photon, dass mit einem Elektron zusammenstößt und "abprallt". Es sind beim Comptoneffekt nicht zwei Objekte, sondern drei beteiligt (laut Quantenfeldtheorie sogar noch mehr).
Seit 1934 wissen wir, dass das ankommende Photon vom Elektron absorbiert wird. Das Elektron sendet dann ein neues, energieärmeres Photon aus und bewegt sich danach selbst.
Also: zwei verschiedene Photonen und ein Elektron...macht 3 nicht 2....
Dass insgesamt Energie- und Impulserhaltungssätze erfüllt sein müssen, ist logisch, denn der Vorgang findet in unserem Universum statt.
- Hier sieht man, wie ein falsch interpretiertes Versuchsergebnis zum Nobelpreis und zur Festigung einer Vorstellung geführt hat.
- Den Comptoneffekt kann man beschreiben und erklären, wenn man Photonen und Elektronen als "Teilchen" ansieht. Es geht aber genau so, wenn man eine ankommende Lichtwelle annimmt und das Elektron ebenfalls als Welle auffasst.
- Photoeffekt und Comptoneffekt stehen zueinander im Widerspruch. Das hat Compton und das Nobelpreiskomitee nicht gesehen, ist aber seit über 80 Jahren bekannt (außer Schulbuchautoren....).
Wir wollen das aber hier nicht weiter verfolgen.
Der Comptoneffekt "beweist" also auf gar keinen Fall eine "Teilcheneigenschaft" des Lichtes.
Zum Glück erwartet 2021 niemand einen solchen Unsinn als Antwort im Abi...
Damit tragen wir den überinterpretierten Comptoneffekt dahin wo er hingehört...zu Grabe...
10.2.3 Aktuelle Forschung
16.11.2020 - Erstmals per Hochleistungslaser beschleunigte Protonen zur Spaltung von Atomkernen eingesetzt.
Große Mengen von Protonen auf kurzer Strecke in Sekundenbruchteilen auf Geschwindigkeit bringen – das funktioniert mit der in den letzten Jahren stark weiterentwickelten Technik der Laserbeschleunigung. Einem Forschungsteam des GSI-Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung ist es in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Livermore National Laboratory in den USA geglückt, mit dem GSI-Hochleistungslaser PHELIX beschleunigte Protonen zur Spaltung anderer Kerne einzusetzen und diese zu analysieren. Die Ergebnisse könnten unter anderem neue Einblicke in astrophysikalische Prozesse ermöglichen.
Weniger als eine Pikosekunde lang beleuchtet der PHELIX-Laser mit seinem hochintensiven Lichtpuls eine hauchdünne Goldfolie. Das reicht, um etwa eine Billion nur leicht an das Gold gebundene Protonen von der Oberfläche der Rückseite der Folie hinauszuschleudern und sie auf hohe Energien zu beschleunigen. „So viele Protonen in einer so kurzen Zeitspanne lassen sich mit herkömmlichen Beschleunigungstechniken nicht erreichen“, erklärt Pascal Boller, von der in der GSI-Forschungsabteilung Plasmaphysik/PHELIX. „Mit dieser Technik lassen sich daher völlig neue Forschungsgebiete erschließen, auf die wir vorher keinen Zugriff hatten.“
(Meldung: GSI, pro-physik.de)
Ja, mit Licht kann man ganz schön "herumballern"
10.2.4: Photoeffekt und Impulserhaltung
Wir wollen mal wieder rechnen üben...
Aufgabe 1:
Auf welche Geschwindigkeit kommt eine Mücke der Masse 2 mg, wenn sie durch ein Photon der Wellenlägne 450 nm frontal angestoßen wird und das Photon komplett in der Mücke stecken bleibt?
(Schritt 1: Impuls des Photons p = h/λ
Schritt 2: Mücke erhält Impuls p = 2mg * v
Schritt 3: Nach v auflösen: v = 7*10^(-22) m/sec
Also: Mit Licht kann man keine Mücken wegschupsen...
Aufgabe 2:
Auf welche Geschwindigkeit kommt ein Elektron der Masse 9,1*10^(-31) kg, wenn es durch ein Photon der Wellenlänge 450 nm frontal angestoßen wird und das Photon komplett im Elektron stecken bleibt (Man nennt das Photoeffekt....)?
Ergebnis: 1,6 km/sec
Aufgabe 3:
Wie groß ist die kinetische Energie des Elektrons?
Man nehme 1/2*m*v² und erhält 0,000007 eV
Fazit:
Der Photoeffekt lässt sich auf keinen Fall über einen Impulsübertrag begründen!
- Der Impuls, den die Elektronen durch die Photonen bekommen, ist viel zu klein.
- Der Energieübertrag durch den Impulsübertrag ist viel zu klein.
- Der Impuls zeigt in die falsche Richtung, nämlich in das Metall hinein!
Photonen stoßen also Elektronen nicht aus dem Metall hinaus!
Wenn das irgendwo steht...das wäre falsch!
Wir müssen noch klären (immer noch) wie und auf welchem Weg die Elektronen beim Photoeffekt aus dem Metall kommen.
Kommentare
Kommentar veröffentlichen