Quantennatur des Lichts

Einsteins geniales Gesellenstück

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Aufgefächerter Laserstrahl

07. Januar 2005 Im Jahre 1905 betrat ein bislang unbekannter Mann die Weltbühne der Physik. Sein Beruf: Technischer Experte dritter Klasse am Patentamt in Bern, sein Name: Albert Einstein. In nur wenigen Monaten veröffentlichte er vier bahnbrechende Arbeiten in den „Annalen der Physik“.

Als „sehr revolutionär“ betrachtete Einstein, dem das kommende Wissenschaftsjahr gewidmet ist, selbst nur sein erstes Werk, das er im März einreichte und für das er sechzehn Jahre später den Nobelpreis erhalten sollte. Es war nicht die Relativitätstheorie, sondern die Deutung des photoelektrischen Effekts als Folge der Quantennatur des Lichts.

Was ist Licht?

„Was ist Licht - Welle oder Teilchen?“ Lange vor Einstein hatte diese Frage bereits die Gemüter vieler Gelehrter wie Isaac Newton und Christian Huygens erhitzt, ohne daß sie eine Antwort finden konnten. Ende des 19. Jahrhunderts schien es, als habe sich endgültig das Wellenbild durchgesetzt, nicht zuletzt weil klar war, daß Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung ist.

1887 machten jedoch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs eine Beobachtung, die sich mit der klassischen Wellenvorstellung nicht erklären ließ. Manche Metalle luden sich elektrisch auf, wenn man sie mit Licht bestrahlte. Das Merkwürdige daran war, daß die Intensität der Strahlung nicht die Geschwindigkeit der freigesetzten Elektronen bestimmte, sondern nur deren Zahl.

Einstein mit rettendem Einfall

Einstein hatte schließlich den rettenden Einfall. Seiner Meinung nach verhielt sich das einfallende Licht so, als bestünde es aus einzelnen Teilchen mit der Energie E = h · f, wobei f der Frequenz der Strahlung und h dem von Max Planck 1900 entdeckten Wirkungsquantum entsprechen. Jedes freigesetzte Elektron hatte genau die Energie eines solchen Lichtquants oder Photons aufgenommen, wodurch es die elektrischen Kräfte der Metalloberfläche überwinden konnte. Was Einstein damals noch nicht ahnte: Mit seiner mutigen Erklärung hatte er auch indirekt die Grundlage für all jene Geräte geschaffen, die Licht in Strom verwandeln, wie Photozelle, Photodiode oder Solarzelle.

Es sollte bis 1915 dauern, daß Einsteins Interpretation des Photoeffekts von Robert A. Millikan experimentell bestätigt wurde. Den Nachweis der Existenz von Photonen erbrachte schließlich 1922 Arthur Compton mit seinem berühmten Streuexperiment. Von da an setzte sich die Vorstellung von der Doppelnatur des Lichts immer stärker durch. 1916 studierte Einstein die Wechselwirkung von Photonen mit Gasmolekülen. Dabei fand er überraschende Gesetzmäßigkeiten für das Absorptions- und Emissionsverhalten der Moleküle. Diese beschrieben bereits die Prinzipien, auf die später Geräte wie Maser und Laser beruhten.

„Einen die Erzeugung und Umwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“: Annalen der Physik, 1905, Bd. 17, S. 137.

„Strahlungsemission und Absorption nach der Quantentheorie“: Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 1916, Bd. 18, S. 318.



Text: mli. / Frankfurter Allgemeine Zeitung, 29.12.2004, Nr. 304 / Seite N1

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