Wenn uns in Experimenten die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Photonen interessiert, wählen wir für die Modellierung der Wechselwirkung das Teilchenmodell.
Wenn wir hier von einem Teilchenmodell sprechen, stellen Sie sich bitte auf keinen Fall Teilchen wie z.B. eine Art Erbse vor. Eine Erbse hat einen bestimmten Durchmesser und wenn Sie eine Erbse aufschneiden, finden Sie die grüne Erbsenmasse im Inneren der Erbse. Einem Elektron konnte bislang in keiner Messung ein Durchmesser zugeordnet werden. Als ein punktförmiges Objekt ohne Durchmesser können Sie ein Elektron auch nicht aufschneiden und hineinschauen. Es gibt nichts, was im Elektron drin wäre. Am besten stellen Sie sich das Elektron überhaupt nicht anschaulich vor. Trotzdem werden wir in Abbildungen und in den folgenden Simulationen das Elektron mit einem Kreis abbilden, in dem ein "Minussymbol" abgebildet ist. Diese Darstellung ist ein Symbol für ein Elektron, aber kein Bild eines Elektrons.
Wenn ein Elektron ein Photon absorbiert, wird die Energie des Elektrons größer. Versuche in der Elektronenstrahlröhre haben gezeigt, dass einem Elektron eine Masse \(m_e\) und eine Geschwindkeit \(v_e\) zugeordnet werden kann. Wenn die Energie eines Elektrons zunimmt, dann wird seine kinetische Energie \(E_\text{kin} = \tfrac{1}{2} \, m \cdot v^2\) größer.
Wenn ein Elektron ein Photon emittiert, verliert das Elektron kinetische Energie und wird langsamer. Das vom Elektron emittierte Photon bewegt sich im Vakuum mit der immer gleichen Lichtgeschwindigkeit \(c\). Da ein Photon nach der Absorption durch ein Elektron verschwunden ist, macht es keinen Sinn einem Photon eine Ruhemasse zuzuordnen. Wenn ein Photon sich mit der immer gleichen Geschwindigkeit bewegt und keine Ruhemasse hat, macht es keinen Sinn einem Photon eine kinetische Energie zuzuordnen. Nach Max Planck wird die Energie eines Photons mit der Formel \(E = h \cdot f\) angegeben. Im Wellenmodell haben wir mit der Frequenz \(f\) angegeben, wie oft pro Sekunde das elektrische und magnetische Feld der elektromagnetischen Welle hin und her pulsiert. Im Teilchenmodell stellen wir uns das Photon als ein Energiequant vor - es ist völlig unklar, was die Frequenz \(f\) bei einem Energiequant beschreiben soll. Eine geeignete Modellierung der Frequenz folgt später, ich bitte um etwas Geduld.
Wechselwirkung im Teilchenmodell:
- wenn ein Elektron ein Photon absorbiert, gewinnt das Elektron kinetische Energie und das Photon hört auf zu existieren.
- wenn ein Elektron ein Photon emittiert, verliert das Elektron kinetische Energie und dem Photon wird diese Energie als \(E = h \cdot f\) zugeordnet.
In diesem Kapitel werden Sie ein Experiment kennenlernen, mit denen die Konstante \(h\) bestimmt werden kann. Zu Ehren des Physikers Max Planck, der diese Konstante erstmals in seinen Formeln verwendet hatte, wird \(h\) das Plancksche Wirkungsquantum genannt.