Grundbausteine des Mikrokosmos (5) Die Entdeckung des Wirkungsquantums

Ein weiterer Zugang zur Physik der Atome, der sich als fundamental erweisen sollte, ergab sich aus der Analyse der elektromagnetischen Strahlung

Experimentell:

Um 1770: Entdeckung der „Wärmestrahlung“ erwärmter, aber noch nicht selbst leuchtender Körper 1800: Wilhelm Herschel entdeckt am „roten Ende“ eines durch ein Prisma erzeugten Spektrums „infrarote Strahlung“, die er mit der Wärmestrahlung identifizierte 1801: Johann Wilhelm Ritter entdeckt am „violetten Ende“ des Spektrums die unsichtbare UV-Strahlung 1814: Joseph Fraunhofer entdeckt im Sonnenspektrum dunkle Linien, die er mit den Buchstaben A bis K bezeichnete. Er verwendete ihre reproduzierbaren Positionen für optische Messungen In der Folgezeit wurden spektroskopische Untersuchungen an Flammen und später an elektrischen Funken durchgeführt. Dabei stellte man fest, das typische Flammenfärbungen (z.B. bei Na, grün bei Cu) mit entsprechend gefärbten Emissionslinien in deren Spektren einhergeht.

Die Entwicklung der Spektralanalyse durch Kirchhoff und Bunsen

1860: „Chemische Analyse durch Spektralbeobachtungen“

Jedes Element hat ein für sich charakteristisches Linienspektrum.

Entdeckung, daß es Emissions- und Absorptionsspektren gibt

Die Positionen der Emissionslinien und Absorptionslinien eines Elements im Spektrum sind immer gleich und für das Element charakteristisch.

Qualitative Spektralanalyse

ASTROPHYSIK

William Huggins (1824-1910)

Durch Untersuchung von Sternspektren konnte man etwas über den physischen Aufbau von Sternen und Nebeln erfahren ...

Entdeckung eines neuen Elements im Sonnenspektrum: Helium (18. August 1868, Jule Jannsen, totale Sonnenfinsternis in Indien)

1866: Genaue Wellenlängenbestimmung der ersten vier Wasserstofflinien (Alpha – Delta) 1868: Erster genauer Katalog aller Spektrallinien im Sonnenspektrum (Anders Jonas Angström) 1885: Johann Jakob Balmer findet eine empirische Formel für die Linien des Wasserstoff- spektrums:

Johannes Rydberg (1854-1919) entdeckt frappierende Ähnlichkeiten zwischen dem Wasserstoffspektrum und den Spektren der Erdalkalimetalle. Es gelingt ihm für diese Elemente ähnliche Serienformeln wie die des Wasserstoffs aufzuschreiben Wasserstoff Erdalkali-Elemente mit der Kernladungszahl Z Rydbergkonstante:

Spektren weisen auf quantifizierbare Eigenschaften von Stoffen hin, die bei deren Atomen angesiedelt zu sein scheinen. Eine Erklärung dafür, wie Spektral- linien überhaupt entstehen, war zu dieser Zeit noch nicht möglich.

1908: Ritz‘sches Kombinationsprinzip

Neben dem Linienspektrum beschäftigte man sich auch mit dem dahinter liegenden Kontinuum. Das erste wichtige Strahlungsgesetz, was dabei gefunden wurde, ist das

Kirchhoff‘sche Strahlungsgesetz:

Ein Körper, der gut absorbiert, strahlt auch gut (und umgekehrt)

Wieviel Strahlung in Abhängigkeit der Temperatur emittiert wird, gibt das

Stefan-Boltzmannsche Strahlungsgesetz an:

Der „Schwarze Körper“

1859: Gustav Robert Kirchhoff

1893: Willi Wien Im normalen Emissionsspektrum eines schwarzen Körpers verschiebt sich mit veränderter Temperatur jede Wellenlänge so, daß das Produkt aus Temperatur und Wellenlänge konstant bleibt.

Auer-Licht Edison-Glühlampe

Carl Auer von Welsbach (1858-1929) erfand 1885 den Glühstrumpf

Thomas Alva Edison (1847-1931) erfand 1879 die Glühfadenlampe

Die weitere technische Verbesserung der neuen sensationellen Leuchtmittel setzt ein genaues physikalisches Verständnis ihrer Funktionsweise voraus, weshalb viel Forschungsarbeit in die theoretische Begründung der spektralen Energieverteilung eines Schwarzen Körpers gesteckt wurde. Deutschland: Physikalisch-Technische Reichsanstalt

Problemstellung: Ableitung der spektralen Energieverteilung eines Schwarzen Körpers in Abhängigkeit seiner Temperatur

Rayleigh / Jeans:

ULTRAVIOLETTKATASTROPHE

Wien‘sches Strahlungsgesetz

Sehr gute Übereinstimmung bei kurzen Wellenlängen; größere Abweichungen bei längeren Wellenlängen ...

„Erratenes“ Planck‘sches Strahlungsgesetz

Boltzmannsche Theorie und Ableitung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes

Ludwig Boltzmann (1844-1906) - begründet die statistische Theorie der Entropie

Ein irreversibler Prozeß ist der Übergang eines Systems von einem Zustand bestimmter Wahrscheinlichkeit in einen wahrscheinlicheren Zustand. Der Logarithmus der Wahrscheinlichkeit eines Zustandes stimmt bis auf einen konstanten Faktor mit der Entropieänderung des Zustandes überein.

𝑆 = 𝑘 log 𝑤

Boltzmann-Verteilung

Max Planck (1900): Thermisches Gleichgewicht

Anwendung auf die Hohlraumstrahlung

𝐸 = 𝑘𝐵𝑇 𝐸 = ℎ𝜈

Max Planck (1858-1947)

Die Ableitung seiner schon zuvor „erratenen“ Strahlungsformel gelang nur unter der Bedingung, daß die Oszillatoren (die man klassischerweise als Quellen der elektromagnetischen Wellen annahm) Energie nur in ganzen „Portionen“ an das Strahlungsfeld abgeben können:

𝐸 = 𝑛 ℎ 𝜈 „heute“ n = Anzahl der Photonen mit der Energie ℎ 𝜈 pro Strahlungsmode

Der Proportionalitätsfaktor h hat die Einheit „Energie mal Zeit“ und ist somit eine Wirkung (Energie durch Zeit ist eine Leistung)