Quantenphysik – 100 Jahre und kein Ende – Physikkurs besucht Uni Gießen

Quantenphysik ist das Thema der diesjährigen Physik-im-Blick-Reihe des Fachbereiches Physik der Universität Gießen.

Einen Vortrag aus dieser Reihe hat der Physikkurs der Jahrgangsstufe 13 von Herrn Nassauer ausgesucht und vor Ort besucht. „Der Photoelektrische Effekt – von den Anfängen der Quantenphysik zu modernen Anwendungen in den Materialwissenschaften“ so das Thema. Es knüpft direkt an den momentan behandelten Unterrichtsstoff im Grundkurs an.

Zunächst gibt Professor P. Klar vom Fachbereich Physik der Universität Gießen einen Überblick über die Vortragsreihe und stellt die aktuelle Bedeutung der Quantenphysik heraus. Diese reicht von der Solarzelle bis zum Quantencomputer. Er macht deutlich, dass es vor hundert Jahren keinen direkten Umbruch hin zur Quantenphysik gegeben hat, sondern dass es immer wieder experimentelle Befunde gab, die mit den bis Dato vorherrschenden Theorien nicht zu erklären waren bzw. im Widerspruch zu diesen standen.

Hierzu zählt auch der Photoelektrische Effekt, um den es im besuchten Vortag geht. Professor M. Dürr vom Institut für Angewandte Physik der Universität Gießen gibt am Beispiel der links abgebildeten Sonderbriefmarke einen ersten Einblick in das Thema. Zum einen erfährt man, dass Albert Einstein den Nobelpreis für die Deutung des Photoelektrischen Effektes und nicht für die Relativitätstheorie erhalten hat. Zum anderen zeigt die Briefmarke, was beim Photoeffekt vorgeht. Licht verschiedenster Wellenlängen trifft auf ein Metall und schlägt aus diesem Teilchen mit verschiedenen Geschwindigkeiten heraus.

Professor Dürr geht in seinem Vortrag nun auf die oben beschriebenen Beobachtungen des Photoeffektes näher ein. Er zeigt die Genese der experimentellen Befunde auf, die es Einstein ermöglichten seine Deutung zu formulieren. Hierzu zählen die Experimente von Philipp Lenard, der bewies, dass es sich bei den herausgeschlagenen Teilchen um Elektronen handelt und Robert Millikan, der die Energie dieser Elektronen bestimmte.

Einsteins fundamentale Erkenntnis war, dass der Photoeffekt sich nur erklären lässt, wenn man Licht als energetisch gequantelte Teilchen betrachtet und nicht als Wellen. Dass dies im gänzlichen Gegensatz zu der damals etablierten Sichtweise war, zeigt Professor Dürr an einem Zitat von Max Planck aus dieser Zeit. Einstein sei mit seiner Hypothese zum Photoeffekt „über das Ziel hinausgeschossen“, so Planck in einer Stellungnahme.

Das Experiment zum Photoeffekt, von Professor Dürr und seinen Mitarbeitern vorgeführt, zeigt den Besuchern, dass nur energiereiches violettes Licht in der Lage ist Elektronen aus einem Metall herauszulösen, energieärmeres rotes Licht dagegen nicht.

Im letzten Teil seines Vortrages geht Professor Dürr auf Anwendungen des Photoelektrischen Effektes ein, speziell in seiner Arbeitsgruppe. Da die Apparaturen zu aufwendig zu transportieren sind, wird den Zuhörern ein vorbereitetes Video gezeigt. In Dürrs Arbeitsgruppe wird der Photoelektrische Effekt zur Photonenspektroskopie genutzt. Mit dieser Methode kann der Aufbau unbekannter Stoffe ermittelt werden.

Der Innere Photoeffekt, so wie er in Solarzellen abläuft, ist ein weiterer Bereich, in dem man sich den Photoeffekt zu Nutze macht. Abschließend werden Kriterien aufgeführt, die bei der Optimierung von Solarzellen zu berücksichtigen sind.

Der Vortrag bietet somit eine Auseinandersetzung mit physikalischen Konzepten, welche ihren Ursprung vor 100 Jahren hatten, aber gerade heute im Zuge der Energietransformation immer mehr an Bedeutung gewinnen.

Text und Foto: Thomas Nassauer