Die Quantennatur des Lichtes und der Photoelektrische Effekt

Transkript

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2 Die Quantennatur des Lichtes und der Photoelektrische Effekt Gerd Schönhense Institut für Physik Johannes Gutenberg -Universität Mainz (Univ. im Rathaus, 10. Jan. 2006)

3 TEIL 1: Einstein und die Lichtquanten TEIL 2: Moderne Nutzung der Lichtquanten: Analyse von prä-solaren Sternenstaub-Körnchen

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13 Der berühmte Doppelspaltversuch zur Welleneigenschaft des Lichtes

14 Der berühmte Doppelspaltversuch zur Welleneigenschaft des Lichtes

15 Der berühmte Doppelspaltversuch zur Welleneigenschaft des Lichtes Interferenz

16 Einführung der Energiequanten durch Max Planck Planck sches Strahlungsgesetz: Zitat: h: Planck sche Konst. ν: Frequenz

17 Albert Einstein (1905): Ideales Gas aus n Teilchen Strahlung in heißem Hohlraum Planck sches Strahlungsgesetz: Zitat: h: Planck sche Konst. ν: Frequenz Implikation für den Photoeffekt:

18 Kritiken an der Lichtquantenhypothese

19 Kritiken an der Lichtquantenhypothese hν 1 hν 2 e hν 2 < hν 1

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21 Der Photoelektrische Effekt Zn UV-Licht Äusserer Photoeffekt Innerer Photoeffekt

22 Nobelpreise mit Bezug zur Lichtquantenhypothese

23 die aus den Fugen geratene Physik

24 Ein früheres annus mirabilis 1666: Isaac Newton schuf als 24-jähriger in kurzer Zeit Infinitesimalrechnung, Farbentheorie und Gravitationstheorie und revolutionierte damit die Naturwissenschaften

25 Jähes Ende der Berliner Zeit

26 Grüsse aus Deutschland

27 Nachdenken über nützliche Dinge

28 Die Lichtquanten im Alltag: * Sonnenbrand (mit UV- aber nicht mit sichtbarem Licht) * Photosynthese

29 * CCD-Kamera * Photokopierer * Farbige Leuchtdioden

30 * Zukünftige Anwendung: Künstliche Netzhaut

31 * Zukünftige Anwendung: Künstliche Netzhaut

32 * Zukünftige Anwendung: Künstliche Netzhaut

33 Einstein s wissenschaftliche Enkel und Urenkel Verschränkung, EPR-Paradoxon A.Zeilinger und Mitarbeiter

34 Einstein s wissenschaftliche Enkel und Urenkel ESCA: Electron Spectroscopy for Chemical Analysis

35 Einstein s wissenschaftliche Enkel und Urenkel Röntgen-Photoelektronenspektrum = chemischer Fingerabdruck Kinetische Energie der Photoelektronen: E kin = hν - E b

36 Einstein s wissenschaftliche Enkel und Urenkel Spins Untersuchungen von Details in der Photoelektronen-Emission

37 Einstein s wissenschaftliche Enkel und Urenkel CD CDAD Untersuchungen von Details in der Photoelektronen-Emission

38 TEIL 2 Moderne Nutzung der Lichtquanten: Analyse von prä-solaren Sternenstaub-Körnchen mittels des Photoeffektes

39 Wie gewinnen wir Kenntnisse über den Kosmos?

40 Wie gewinnen wir Kenntnisse über den Kosmos? Hauptsächlich durch Beobachtung von Licht verschiedener Wellenlängen

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42 aber manchmal finden wir auch eine Botschaft aus dem All, ähnlich einer Flaschenpost STERNENSTAUB Partikel: kosmische Schatzkästlein

43 Die Entstehung unseres Sonnensystems aus einer gut gemischten Wolke aus Staub und Gas

44 Die Entstehung unseres Sonnensystems Bildung von Planeten, Monden, Asteroiden& Kometen

45 Primitive Meteoriten Träger von prä-solarem Material Graphit refraktäre Oxide SiC (Veil Nebula, NGC 6995) Nano-Diamanten Silikate

46 oder so: Z. Z. unterwegs: Die Stardust-Mission

47 Wo entsteht der Sternenstaub? Hertzsprung - Russel Nukleosynthese in Roten Riesen- Sternen (RGB)

48 Sonne im EUV-Bereich (He II) ERDE!

49 Sonne im Röntgen-Bereich

50 Kernfusion Schwere Elemente: z.b. durch Einfang von langsamen Neutronen (s-prozess)

51 Element-Entstehung noch bizarrer: In Supernova-Explosionen Cassiopeia A

52 Element-Entstehung noch bizarrer: In Supernova-Explosionen

53 Element-Entstehung noch bizarrer: In Supernova-Explosionen

54 Element-Entstehung noch bizarrer: In Supernova-Explosionen

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56 Botschaft aus dem All Murchison Meteorit, fiel 1969 in Süd- Australien ~ 100 kg Carbonaceous Chondrite ( primitiver Meteorit )

57 Botschaft aus dem All Terrestrischer Kohlenstoff Murchison Meteorit, fiel 1969 in Süd- Australien ~ 100 kg Carbonaceous Chondrite ( primitiver Meteorit )

58 Kosmische SiC Körner ( Stardust ) Grösse: 100 nm Bereich bis µm P. Hoppe et al., Astrophys. J., 430 (1994) 870

59 Kosmische SiC Körner ( Stardust ) Grösse: 100 nm Bereich bis µm P. Hoppe et al., Astrophys. J., 430 (1994) 870 * Nukleosynthese in kohlenstoffreichen Sternen ( Rote Riesen RBG) oder Supernovae * Einlagerung von Spurenelementen in die Siliziumkarbid-Körner * Auswurf durch extrem starken Sonnenwind * Transport durch interstellaren Raum zum Sonnensystem * Sternenstaub älter als unser Sonnensystem

60 Kosmische SiC Körner ( Stardust ) Grösse: 100 nm Bereich bis µm Deposition auf Au-Trägerfolie

61 Kosmische SiC Körner ( Stardust 100 nm Bereich bis µm) Deponierte Körner Detailaufnahmen: P. Hoppe et al., Astrophys. J., 430 (1994) µm

62 Das "NanoESCA" ein abbildendes Photoelektronen-Spektrometer 2. HSA Projektivoptik Probenposition Detektor für energiegefilterte Bilder 1. HSA PEEM Säule Energieauflösung 110 mev FWHM Ekin Ortsauflösung < 100 nm

63 1µm Mg Mg Mg Mg Al Al Al Al Ti Ti Ti Ti N Edelgase Edelgase Edelgase Edelgase O Ca Ca Ca Ca Ba Ba Ba Ba Seltene Seltene Seltene Seltene Erden Erden Erden Erden Sr Sr Sr Sr C Si Si Si Si Fe Fe Fe Fe Mo Mo Mo Mo Enthaltene Spurenelemente:

64 Spektromikroskopie Intensity Intensity [arb. [arb. u.] u.] Zr 3dMg 2p Y 3d E bin bin [ev] [ev] 100 µm 155eV 169eV 57eV 52eV 173eV Er Fe Mg Zr Y4d 3d 3p 2p

65 Spektromikroskopie 100 µm Intensity [arb. u.] Er 4d Fe 3p 155eV 169eV 57eV 52eV Er Fe Mg Y4d 3p 3d 2p E bin [ev]

66 Spektromikroskopie Intensity [arb. u.] u.] Mg 2p Y 3d 100 µm E bin [ev] bin [ev] 155eV 57eV 52eV Fe Mg Y 3p 3d 2p

67 Spektromikroskopie 100 µm Intensity [arb. u.] Fe 3p 57eV 52eV Fe Mg3p 2p E bin [ev]

68 Spektromikroskopie Intensity [arb. u.] Mg 2p 100 µm E bin [ev] 52eV Mg 2p

69 Spektromikroskopie Intensity [arb. u.] S 2p Si 2p Al 2p 100 µm E bin [ev] 75,5eV 78eV Al 2p

70 Spektromikroskopie 100 µm 35 Intensity [arb. u.] Si 2p Al 2p 75,5eV Al 2p E bin [ev]

71 Spektromikroskopie: Bindungsumgebung Intensity [arb. u.] S 2p Si 2p Al 2p Al 2 O µm 10 Intensity [arb. u.] E bin [ev] Al 2p 75,5eV Al in SiC? Al 2p E bin [ev] U. Ott et al., Lunar and Planetary Science 35I (2005) P. Bernhard et al., Nucl. Instr. Meth., in print (2006)

72 Spektromikroskopie Si in SiO 2 Si in SiC 20µm O in Al 2 O 3 Al in Al 2 O 3 Cr

73 Spektromikroskopie Spurenelemente in Falschfarbendarstellung: Jeder Bildpunkt trägt spektrale Signatur

74 impurity Die zerstörungsfreie NanoESCA-Untersuchung ist Grundlage für eine anschliessende massenspektrometrische Analyse Isotopenverhältnisse

75 Mitarbeiter im Meteoritenprojekt: Spektromikroskopie: P. Bernhard, Th. Berg, J. Maul Universität Mainz, Institut für Physik Probenpräparation: U. Ott, Ch. Sudek Max Planck-Institut für Chemie, Mainz

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