Wie Einstein die Lichtteilchen erfand

Nur wenn man annimmt, dass Licht aus einzelnen Licht-Teilchen besteht, lässt sich der „Photoelektrische Effekt“ erklären.

Albert Einstein bekam seinen Nobelpreis für die Erklärung des Photoelektrischen Effektes.
Quelle: [1]

Albert Einstein hat seinen Nobelpreis für die Erkenntnis bekommen, dass Lichtwellen Teilchenverhalten zeigen – nicht für die Relativitätstheorie, wie man vielleicht glauben könnte. Wissenschaftler wunderten sich damals über den photoelektrischen Effekt: Wenn man Metallplatten mit Licht bestrahlt, können Elektronen aus dem Metall herausgelöst werden und davonfliegen. Interessant ist es, zu untersuchen, wie sich unterschiedliche Arten von Licht auf die Elektronen auswirken. Licht hat zwei wesentliche Eigenschaften: Farbe und Helligkeit. Man kann also einerseits unterschiedliche Wellenlängen wählen (die unterschiedlichen sichtbaren oder für uns unsichtbaren Farben entsprechen), und man kann andererseits die Intensität des Lichtes variieren.

Die Wellenlänge bestimmt die Energie

Ob Elektronen aus der Metallplatte gelöst werden, hängt erstaunlicherweise von der Farbe des Lichtes ab: Verwendet man Licht mit sehr kurzer Wellenlänge, dann entstehen schnelle Elektronen. Größere Wellenlängen erzeugen nur noch langsame Elektronen, und ab einer gewissen Grenze sind überhaupt keine Photo-Elektronen mehr messbar. Erstaunlicherweise spielt die Lichtintensität für diese Schwelle keine Rolle. Helleres Licht führt zwar zu mehr Elektronen – aber ihre Energie hängt nur von der Wellenlänge des Lichts ab. Das ist seltsam: Die Energie des Lichts muss auf irgendeine Weise auf die Elektronen übertragen werden. Sollte diese Energiemenge nicht von der Helligkeit der Lichtwellen bestimmt werden? Intensive Lichtstrahlen besitzen ja schließlich mehr Energie als ein schwaches Glimmen. Die Energie einer Welle hängt von ihrer Wellenhöhe (der Amplitude) ab, das können wir leicht an Meereswellen ausprobieren, die uns nur dann umwerfen, wenn sie sehr hoch sind.

Photoelektrischer Effekt: Licht-Quanten treffen auf eine Metallplatte und lösen Elektronen aus ihr heraus.

Welle und Teilchen

Einstein erkannte, dass dieser Photoelektrische Effekt nur erklärt werden kann, wenn man annimmt, dass das Licht in einzelnen Portionen auf dem Metall auftrifft – als „Lichtteilchen“, oder "Photonen". Die Energie jedes einzelnen Photons ist durch die Wellenlänge bestimmt. Trifft das Photon auf die Metallplatte, wird seine Energie auf ein Elektron übertragen. Ab einer bestimmten Wellenlänge kann das Photon ausreichend viel Energie übertragen um das Elektron aus der Metallplatte herauszulösen. Je energiereicher das Photon, umso mehr Energie bekommt das Elektron, und umso schneller fliegt es von der Platte weg. Stärkere Lichtintensität hingegen erhöht zwar die Anzahl der Lichtteilchen – und damit auch die Anzahl der Elektronen, die aus dem Metall herausgeschlagen werden – aber die Energie, die auf ein Elektron übertragen werden kann, wird dadurch nicht größer. Wenn jedes einzelne Photon zu schwach ist, ein Elektron herauszulösen, dann nützt es auch nicht, die Anzahl der Photonen zu erhöhen. Deshalb spielt die Helligkeit des Lichtes hier keine Rolle.

Man kann sich das so ähnlich vorstellen wie Regen auf einem Autodach: Ein Regentropfen hat nicht die Energie, um eine Delle am Autodach zu verursachen. Auch der stärkste Regen der Welt wird das nicht zustandebringen. Hagelkörner hingegen haben diese Energie – schon wenige von ihnen reichen aus um das Dach mit einem hübschen Dellenmuster zu verzieren.

Rechnen statt quasseln

Einsteins Deutung war richtig, aber durchaus gewagt: Das Licht wird durch die Wellenlänge charakterisiert (dass Licht Welleneigenschaften hat, war damals schon lange klar), andererseits wird das Licht aber als Teilchenstrom betrachtet. Erst durch die Weiterentwicklung der Quantenphysik konnte dieser scheinbare Widerspruch aus Wellen- un Teilcheneigenschaften restlos verstanden werden. Man muss sich also Licht wirklich sowohl als Teilchen wie auch als Welle vorstellen. Oder noch besser: Man stellt es sich gar nicht vor, sondern lebt damit, dass unsere Begriffe wie „Teilchen“ und „Welle“ unzureichende Metaphern sind. Worte sind manchmal unpassend – aber mathematisch lassen sich solche Quanten-Phänomene sauber und eindeutig beschreiben.