18. Licht, Photonen

1. Das Licht des Schullasers hat eine Wellenlänge von 660 nm. Wieviel Energie und wieviel Impuls hat ein Photon des entsprechenden Lichts?
Auf dem Lasergehäuse steht, dass der Laser 1 mW abgibt. Wieviele Photonen kommen pro Sekunde aus dem Laser?

2. Schätze die Zahl der von einem Radiosender pro Sekunde emittierten Photonen ab.

3. Berechne für Photonen den Zusammenhang zwischen Energie und Impuls, indem du vom Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz und dem Zusammenhang zwischen Impuls und Wellenlänge ausgehst.

4. Auf zwei leicht gegeneinander geneigte Spiegel trifft ein Laserstrahl, siehe Abbildung.
(a) Was sieht man auf einem weißen Schirm, den man zunächst bei A, dann bei B und bei C aufstellt? Was verändert sich bei A, wenn man die eine Spiegelhälfte abdeckt?
(b) Der Laserstrahl wird sehr stark abgeschwächt, und es wird bei A eine photographische Aufnahme gemacht. Wie sieht diese aus, wenn nur eine sehr kurze Zeit belichtet wurde? Wie sieht sie aus, wenn länger belichtet wird?
(c) Wie sieht der entwickelte Film aus, wenn während der Belichtung die eine Hälfte des Spiegels abgedeckt wurde?

Lösung:

(a) Bei A: Interferenzstreifen senkrecht zur Ebene der Abbildung. Bei B und C: Keine Interferenzstreifen. Wenn man die eine Spiegelhälfte abdeckt verschwindet das Interferenzmuster bei A.
(b) Schwarze Punkte sind statistisch auf dem Film verteilt. Je länger man belichtet, desto deutlicher wächst das Interferenzmuster heraus.
(c) Auch schwarze Punkte, aber ein Interferenzmuster ist nicht zu erkennen.

5. Welche Beobachtungen sprechen dafür, dass Licht aus kleinsten Portionen besteht?
Welche Beobachtungen sprechen dafür, dass Licht ein Wellenvorgang ist?

6. Wie ist der Zusammenhang zwischen der Energie der Photonen und der Frequenz des entsprechenden Lichts? Wie ist der Zusammenhang zwischen Impuls und Wellenlänge?

7. Ein Interferenzbild wird mit einer Digitalkamera aufgenommen. Die Lichtintensität sei sehr gering. Skizziere, wie das Bild nach und nach entsteht.

8. Ein Lichtstrahl sehr, sehr geringer Intensität fällt auf ein Lichtmessgerät (Photomultiplier). Der Messwert wird als Funktion der Zeit aufgetragen. Wie sieht die entsprechende Kurve aus? Was ändert sich, wenn man die Lichtintensität vergrößert? Erklärung. 

Lösung:
Zu Anfang sieht man einzelne Peaks in statistischer Folge; bei größerer Intensität verschmelzen die Peaks zu einem konstanten Signal.

9. Gib einen typischen Wert für die Wellenlänge an für
– sichtbares Licht,
– eine Radiowelle,
– Röntgenstrahlung.