Theoretische Grundlagen

Betrachtet man Licht als klassische elektromagnetische Welle, so möchte man glauben, daß diese Welle bei vorgegebener Frequenz beliebige Energie transportieren, sich also mit beliebiger Amplitude ausbreiten kann. Man würde daher also erwarten, beim Messen von Strahlung fester Frequenz ein aufgefächertes Energiespektrum zu erhalten. Tatsächlich ergibt sich aber im Experiment ein gegenteiliger Befund: Das Linienspektrum einer Quecksilberdampflampe liefert für die diskreten Frequenzen scharfe Energiewerte.
Grund für diese nach klassischer Betrachtung verblüffenden Ergebnis ist die Quantelung der Energie im Modell des Photons: Licht wird weiterhin als Welle verstanden, zusätzlich erhält es aber Aspekte eines Teilchens, oder - nach der statistischen Deutung der Quantenmechanik - Licht ist ein Strom aus Teilchen, deren Aufenthaltswahrscheinlichkeiten Wellencharakter haben. Da der Wellenaspekt des Lichtes dem klassischen Modell (Beugung/Brechung etc.) nach bekannt sein dürfte, stellt sich die Frage nach der Notwendigkeit der Betrachtung als Teilchen. Diese forderte Einstein in seiner Erklärung des Photoeffekts 1905: Bestrahlt man eine Fotozelle mit Licht, so bildet sich eine Spannung zwischen der bestrahlten Fläche und einem benachbarten Ring, die sich durch aus der Zelle herausgeschlagene Elektronen erklären läßt. Die aus dem Wellenbild herrührende Vermutung, daß mit der Intensität des Lichtes (etwa beim Öffnen einer Blende) auch die Spannung wachsen müßte, bestätigt sich nicht. Ebenso wird die Vermutung, bei höherer Frequenz würden aufgrund der kürzeren Beschleunigungsdauer des Elektrons in eine Richtung weniger Elektronen freigesetzt, widerlegt: Die Spannung nimmt proportional mit der Frequenz zu. Die von Einstein gelieferte Erklärung betrachtet das Licht Teilchen, die Elektronen aus dem Festkörper schleudern, wobei ihre Energie

$$\begin{eqnarray*}W & = & h \cdot \nu \end{eqnarray*}$$

beträgt. Dabei stellt h eine universelle Naturkonstante dar, deren Wert sich nach der obigen Gleichung im Experiment bestimmen läßt.