Wie hat Einstein das Quantenuniversum entschlüsselt und das Photon erschaffen?

Entgegen den Erwartungen entsprach das Verhalten der Elektronen unter dem Einfluss von Licht nicht den klassischen Theorien des Elektromagnetismus. Durch dieses Experiment entdeckte Albert Einstein die Existenz von Photonen, was eine bemerkenswerte Veränderung in unserem Verständnis des physikalischen Universums bedeutete.

Traditionell glaubte man, dass sich Licht als Wellen von Elektrizität und Magnetismus ausbreitet, wie James Clerk Maxwell deutlich machte. Nach diesem Verständnis sammelten Elektronen nach und nach Lichtenergie an, bis sie eine Energieschwelle erreichten, die es ihnen erlaubte, aus ihrer metallischen Oberfläche zu entweichen.

Der photoelektrische Effekt zeigte jedoch überraschende Ergebnisse. Nur Licht oberhalb einer bestimmten Frequenz konnte Elektronen freisetzen und unabhängig von der Intensität des Lichts traten die Elektronen immer mit dem gleichen Energieniveau aus.

Einsteins Lösung

Einstein schlug schnell eine geniale Lösung für dieses Rätsel vor. Er postulierte, dass das Licht selbst quantisiert ist und in Form von diskreten Energiepaketen, den so genannten Photonen, existiert.

Diese unteilbaren Einheiten aus leuchtendem Material verhalten sich wie Wellen, wenn sie zusammengefügt werden, aber ihre partikuläre Natur wird deutlich, wenn sie einzeln betrachtet werden.

Anders als kontinuierliche Wellen lassen sich Photonen nicht in Bruchteile aufteilen. Stattdessen treten sie in ganzzahligen Vielfachen auf, analog zu einer Einheit, zwei Einheiten usw.

Einsteins bahnbrechende Entdeckung löste das Rätsel des photoelektrischen Effekts. Die Energie, die die Elektronen benötigen, um aus einem Metall zu entkommen, hängt nur von der Frequenz des Lichts ab, nicht von seiner Helligkeit oder Intensität. Höhere Frequenzen entsprechen energiereicheren Photonen. Zu wenig Energie in den langsameren Photonen bedeutet, dass die Elektronen nicht entkommen können.

Bei der Kollision von Photonen mit Elektronen wird eine feste Energiemenge übertragen, was erklärt, warum die Elektronen konstant und gleichmäßig entweichen. Einsteins Entdeckung der Photonen beleuchtete die zugrunde liegende Quantennatur des Lichts und enthüllte eine mikroskopische Welt, die sich dem klassischen Verständnis entzieht.

Diese Entdeckung war ein entscheidender Meilenstein des wissenschaftlichen Fortschritts, brachte Einstein den Nobelpreis ein und ebnete den Weg für die weitere Erforschung von Quantenteilchen und deren kompliziertem Verhalten. Wir hoffen, wir konnten Ihr Interesse an Physik ein klein wenig wecken!

Hinweise zu den verwendeten Quellen:
Sutter P., How Einstein Unlocked the Quantum Universe and Created the Photon. Universe Today (2023).