Waarom fotonen gequantificeerd?

brahm

Hallo,

Een vraagje over fotonen. Het is me niet duidelijk waarom die gequantificeerd zijn. Of simpeler gezegd waarom licht uit vaste pakketjes energie bestaat. Ik weet dat het foto-elektrisch effect er iets mee te maken heeft, en het onderzoek naar zwarte stralers door Planck.

Maar het is mij niet duidelijk waarom EM straling alleen in stapjes kan voorkomen in plaats van continu. Is dat makkelijk te verklaren?

mathfreak

Even een stukje geschiedenis: volgens de bekende klassieke natuurkundige theorieën zou een zwarte straler bij een golflengte in het ultraviolet een oneindige hoeveelheid energie uit moeten zenden, wat echter in strijd was met de experimentele bevindingen met betrekking tot een zwarte straler. Om de theorie met de experimenten in overeenstemming te kunnen brengen en zo de zogenaamde UV-catastrofe te kunnen vermijden, ging de Duitse natuurkundige Max Planck in december 1900 uit van het idee dat elektromagnetische straling zich niet als een continu golfverschijnsel gedroeg, maar dat deze straling zich gedroeg alsof deze was opgebouwd uit afzonderlijke energiepakketjes (quanta) met een energiewaarde E = hf, waarbij f de frequentie van de straling en h de constante van Planck voorstelt. Met behulp van dit idee wist Planck de correcte stralingsformule voor een ideaal zwart lichaam af te leiden, een formule die sindsdien bekend staat als de stralingswet van Planck.

Rond die tijd was het ook bekend dat de hoeveelheid uitgezonden elektronen bij het optreden van het foto-elektrisch effect niet van de intensiteit, maar uitsluitend van de frequentie van de op een metaaloppervlak vallende straling afhankelijk was, iets wat niet te verklaren was als elektromagnetische straling als een golfverschijnsel werd opgevat. In Einsteins artikel over het foto-elektrisch effect uit 1905 loste Einstein dit op door Plancks quantumidee op het licht toe te passen en uit te gaan van de veronderstelling dat licht uit afzonderlijke lichtquanta was opgebouwd. De door Einstein ingevoerde term lichtquantum zou zo'n 15 jaar later door het sindsdien gangbare begrip foton worden vervangen. De Amerikaanse natuurkundige Robert Milikan probeerde vervolgens Einsteins lichtquantumhypothese experimenteel te weerleggen, maar zag zich in 1915 uiteindelijk genoodzaakt om de juistheid van Einsteins hypothese toe te geven. Het deeltjeskarakter van elektromagnetische straling, dus het bestaan van fotonen, kon dus uit experimenten zoals het foto-elektrisch effect worden afgeleid, en betekende dus een breuk met bepaalde opvattingen binnen de klassieke natuurkunde.

brahm

Bedankt voor dit uitgebreide antwoord!

volgens de bekende klassieke natuurkundige theorieën zou een zwarte straler bij een golflengte in het ultraviolet een oneindige hoeveelheid energie uit moeten zenden

Ja dat heb ik ook gevonden. Alleen waarom is dat zo?

Het deeltjeskarakter van elektromagnetische straling, dus het bestaan van fotonen, kon dus uit experimenten zoals het foto-elektrisch effect worden afgeleid

Ik begrijp min of meer wat het foto-elektrisch effect is. Maar niet waarom daar het deeltjeskarakter van EM straling uit volgt?

mathfreak

Ja dat heb ik ook gevonden. Alleen waarom is dat zo?

Dat heeft te maken met de vorm waarin de stralingsformule is opgesteld. Volgens de stralingswet zoals die door Rayleigh en Jeans was opgesteld zou de hoeveelheid uitgestraald vermogen per oppervlakte-eenheid omgekeerd evenredig zijn met het kwadraat van de golflengte van de straling, wat voor kleine golflengten dus een tot oneindig naderend hoeveelheid uitgestraald vermogen per oppervlakte-eenheid zou betekenen, en dus aanleiding zou geven tot de UV-catastrofe.

Ik begrijp min of meer wat het foto-elektrisch effect is. Maar niet waarom daar het deeltjeskarakter van EM straling uit volgt?

Uit de experimenten die de Duitse natuurkundige Philip Lenard eind 19e eeuw uitvoerde bleek dat het aantal uitgezonden elektronen niet afhing van de intensitieit (die afhangt van het kwadraat van de amplitude), maar van de frequentie, wat niet te verklaren was als elektromagnetische straling als een golfverschijnsel werd opgevat. Dat betekende dus dat de gangbare theorie voor elektromagnetische straling, opgevat als een golfvedrschijnsel, niet toereikend was om een verschijnsel als het foto-elektrisch effect te kunnen verklaren. Er was dus een alternatieve theorie noodzakelijk. Deze werd, zoals ik al aangaf, in december 1900 door Planck geformuleerd, en in 1905 door Einstein op het licht toegepast. Wat Einstein ontdekte was dat de entropie van de straling van een zwart lichaam zich wiskundig gezien op dezelfde manier bleek te gedragen als de entropie van een ideaal gas. Omdat een ideaal gas uit deeltjes bestaat betekende dat dus dat elektromagnetische straling zich, wat het foto-elektrisch effect betrof, ook als een deeltjesverschijnsel leek te gedragen. Hieruit ontstond dus het idee van wat eerst het lichtquantum, en later het foton, zou worden genoemd.

thermo1945

Een vraagje over fotonen. Het is me niet duidelijk waarom die gequantificeerd zijn.

Niet de fotonen zijn gequantificeerd maar de energieniveaus waaruit ze ontstaan.

Als een elektron springt van elektronenbaan 1 met energie E1 naar de lagere elektronenbaan 2 met energie E2,

dan ontstaat een foton met energie E1 - E2.

E1 en E2 hebben altijd een vaste waarde.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Waarom fotonen gequantificeerd?

Waarom fotonen gequantificeerd?

Re: Waarom fotonen gequantificeerd?

Re: Waarom fotonen gequantificeerd?

Re: Waarom fotonen gequantificeerd?

Re: Waarom fotonen gequantificeerd?