P 104: Licht als EMW

 18. Licht als EMW??? Quantenfeldtheorie

18.1 Was waren noch einmal EMW?

In Q2 haben wir gelernt, wie ein Dipol als Schwingkreis bei hohen Frequenzen elektromagnetische Wellen EMW abstrahlt.

Dabei waren die folgenden Aspekte wichtig:

Die Abstrahlung gelingt besonders gut bei hohen Frequenzen. Das deutete auf einen Trägheitseffekt hin: Die Felder sind träge, sie können der schnellen Bewegung der Elektronen im Dipol nicht mehr folgen und lösen sich ab.

Eine EMW benötigt kein Ausbreitungsmedium, da an jedem Raumpunkt sich die Felder gegensetig erzeugen können: Ein sich veränderndes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld, das sich ebenfalls verändert und dadurch einw eiteres elektrisches Feld erzeugt.

In der Wellendarstellung (Momentbild)  wird die Feldstärke als Auslenkung gegen den Ort aufgetragen. 

wikipedia common

Im Fernfeld des Dipols sind elektrische und magnetische Felder in Phase. Sie stehen immer senkrecht aufeinander. Wir haben den Pointing-Vektor S = ExB als Energiestromvektor kennengelernt. Er steht senkrecht auf E und auf B (Buchstaben bezeichnen Vektoren). In Q3  haben wir S auch Strahlungsstrom genannt (Beispiel Solarkonstante).

EMW kommen mit Wellenlängen von unter 1 nm (Gammastrahlen) bis Metern (Radiowellen) vor. Röntgenstrahlen, UV-Licht, Licht und IR sind ebenfalls EMW.

H.Frank, wikipedia common

18.2 Was waren noch mal Felder?

In Q1 haben wir den Feldbegriff kennengelernt.

Ein Feld ist erst einmal nur eine mathematische Zuordnung: jedem Punkt im Raum wird eine Eigenschaft zugeordnet.

Temperaturfelder: Jedem Raumpunkt kann in einem Zimmer eine Temperatur zugeordnet werden. Das ist ein skalares Feld, es hängt nicht von der Richtung ab.

Strömungsfeld: Durch die Temperaturverteilung in einem Zimmer kommt es zu Luftströmungen. Man kann jedme Raumpunkt die Strömungsgeschwindigkeit zuortdnen. das ist ein Vektorfeld.

Elektrisches Feld: Jedem Raumpunkt wird die Kraft F auf eine Probeladung q zugeordnet. Da die Kraft natürlich auch von der Probeladung selbst abhängt, nennt man E = F/q die elektrische Feldstärke, die unabhängig von q nur das Feld chrakterisiert..

Magnetfeld: Jedem Raumpunkt wird die Kraft auf einen Probestrom I der Länge s zugeordnet. Die Größe B = F/(I*s) haben wir magnetische Feldstüärke genannt.

Gravitationsfeld: Die Fallbeschleunigung g = F/m ist hier die Gravitationsfeldstärke.

Desweiteren haben wir gelernt, dass Magnetfelder keine eigenstäündigen Felder sind, sondern aus bewegten Bezugssystemen heraus betrachtete elektrische Felder darstellen.

18.3 Licht in der Quantenmechanik

In Q3 haben wir gelernt, dass Licht aus Quanten besteht, die wir Photonen nennen. Es sind keine Teilchen, wir können  ihre Ausbreitung aber durch Wellen beschreiben.

Das sind Wahrscheinlichkeitswellen. Ihre Auslenkung (besser das Amplitudenquadrat) gibt die Wahrscheinlichkeit an, bei einem bestimmten Ort Photonen zu finden. Die Wellenlänge der Wahrscheinlichkeitswelle ist dabei die Wellenlänge der Lichtwelle, die wir mit einem Gitter z.B. bestimmen können.

leifiphysik

Das ist die übliche Bornsche Interpretation. 

Nun haben wir wieder ein Problem...

Die Frage "Was ist Licht? Teilchen oder Welle?" haben wir erfolgreich hinter uns gelassen...(keins von beiden, Licht besteht aus Quanten)

Aber  eine neue Frage ist aufgetaucht:

"Was ist Licht? Eine EMW oder eine Wahrscheinlichkeitswelle?"

Seht ihr eine Antwortmöglichkeit?

Gefunden wurde die Antwort vor 90 Jahren. Besonders beteiligt waren Richard Feynman und Paul Dirac. Man nennt das auch die 2.Quantisierung....