Hallwachs-Versuch
Physik
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Basiswissen｜
Aufbau und Durchführung des Hallwachs-Versuches｜
Kern-Aussage des historischen Hallwachs-Versuchs｜
Weitere Ideengeschichte des Hallwachs-Versuchs｜
Weiterentwicklung zur Gegenfeldmethode｜
Photoemission｜
Probleme für die Wellennatur｜
Probleme für die Wellen- und die Teilchennatur｜
Fußnoten
Basiswissen
Der Hallwachs-Versuch[1] ist einer von mehreren historischen Versuchen zur sogenannten Photoemission, auch äußerer photoelektrischer Effekt genannt. Die Kernaussage der ursprünglichen Veröffentlichung von Ludwig Hallwachs aus dem Jahr 1888[2] ist recht knapp: eine bestimmte Art von Licht ist dazu in der Lage, bestimmte Platten aus Metall elektrisch auf- oder zu entladen.[12] Die volle Bedeutung im Rahmen der Quantenphysik wurde erst später, um das Jahr 1905 deutlich.
Aufbau und Durchführung des Hallwachs-Versuches
Die Beschreibung hier folgt der originalen Veröffentlichung von Ludwig Hallwachs aus dem Jahr 1888.[2] Eine geschmirgelte[8] "kreisförmige Metallplatte mit 8 cm Durchmesser"[2] aus Zink, Messing oder Aluminium[9] wird an einem isolierten Draht aufgehängt und mit einem Elektroskop[3] verbunden. Ein Elektroskop ist ein Messgerät zur Anzeige elektrischer Ladung[4]. Die Platten werden sich "bei Bestrahlung mit elektrischem Licht elektrostatisch laden"[5]. Dieser Effekt konnte verhindert werden, wenn man das Licht durch eine "Glimmerplatte"[10] hindurchgehen ließ, nicht jedoch, wenn die Glimmerplatte "mit einer viel dickeren Marienglasplatte" vertauscht wurde[12]. Für Zink erreichte Hallwachs ein "Maximalpotential" von "etwas über ein Volt", für Messing "etwa ein Volt" und für Aluminium "0,5 Volt".[2]
Kern-Aussage des historischen Hallwachs-Versuchs
Die Orignalveröffentlichung von Hallwachs aus dem Jahr 1888[2] beschreibt, dass das Licht einer bestimmten Lampe bei geeigneten Umständen dazu in der Lage ist, Metallplatten elektrisch aufzuladen. In früheren Versuchen hatte Hallwachs gezeigt, dass Licht elektrisch geladene Platten auch entladen kann.[13] Ein Fingerzeig für zukünftige Forschungen war sicherlich die Beobachtung, dass unterschiedliche Stoffe bei Einbringungen in den Lichtweg zu unterschiedlichen photoelektrischen Folgen führten, und dass dabei wohl die Art der durchgelassenen Strahlung von deren Intensität eine entkoppelte Rolle spielen kann. Hallwachs selbst stellte im Jahr 1888 seine Befunde jedoch in keinen größeren theoretischen Zusammenhang sondern blieb rein bei der Beschreibung des Phänomens. Dieses Phänomen bezeichnete man später als Hallwachs-Effekt[13] oder auch als Photoeffekt[1].
Weitere Ideengeschichte des Hallwachs-Versuchs
Auch wenn der Hallwachs-Versuch in späteren Schulbüchern[1] im Zusammenhang mit dem lichtelektrischen Effekt genannt wird, war es noch nicht Ludwig Hallwachs selbst, der die größere Bedeutung seiner Befunde erkannte oder überhaupt erkennen konnte. Seine ursprüngliche Veröffentlichung von 1888 umfasst nur drei kleine Seiten mit wenigen Worten. Bedenken muss man dabei auch, dass das Elektron als Träger kleinster negativer Ladung damals zwar schon vermutet wurde, aber erst 1897 nachgewiesen werden konnte.[16] Zunächst wurde der Hallwachs-Versuch weiter verfeinert und erst im Jahr 1905 im heutigen Sinn als Indiz für die Teilchennatur des Lichts gedeutet.
Weiterentwicklung zur Gegenfeldmethode
Das von Hallwachs beschriebene Phänomen wurde später von anderen Physikern, unter anderem Philipp Lenard, eingehend untersucht.[14] Dabei stellte man fest, dass das Licht Elektronen aus dem Metall herauslöst. Diese herausgeschlagenen Elektronen bündelte man zu sogenannten Kathodenstrahlen[17], deren Eigenschaften dann näher betrachtet wurden. Vor allem interessierte die Geschwindigkeit, mit der die Elektronen aus dem Metall austraten, denn diese ließ Rückschlüsse auf die Energie des einfallenden Lichts zu. Um das näher zu untersuchen, entwickelte man die sogenannte Gegenfeldmethode ↗
Photoemission
Eine wichtige Erkenntnis der Versuche mit der Gegenfeldmethode war, dass es von der Art und nicht der Intensität des einfallenden Lichtes abhing, ob der Effekt überhaupt auftritt oder nicht. Das hatte sich schon 1888 bei Hallwachs angedeutet, nämlich über die wahlweise Einbringung von dünnen Glimmerplatten (schlucken UV-Licht) und vieln dickeren Platten aus Marienglas (schlucken weniger oder kein UV-Licht). Was später unter den Begriffen Photoemission oder äußerer lichtelektrischer Effekt bezeichnet wurde, geht unter anderem auf die Ergebnisse der Versuche von Lenard zurück. Siehe dazu auch Photoemission ↗
Probleme für die Wellennatur
Als der Versuch um das Jahr 1888 gemacht wurde, galt es als sicher, dass Licht ein wellenartiges Phänomen ist. Damals sprach man auch von der Undulationstheorie des Licht[6]. Mit dieser Wellen-Vorstellung ließen sich die später von Lenard und anderen gemachten Befunde mit Kathodenstrahlröhren[18] aber nicht mehr stimmig erklären. Zur historischen Wellentheorie des Lichts siehe unter Undulationstheorie ↗
Im Jahr 1905 legte Albert Einstein dann eine Erklärung vor, in dem er die Wellennatur des Lichts in Frage stellte und stattdessen Licht im Sinne eines Teilchens, eines Lichtquants erklärte.[7] Dabei bezog sich Einstein namentlich nicht auf Ludwig Hallwachs sondern auf Philipp Lenard. Für diese Arbeit, nicht für seine Relativitätstheorie, erhielt Einstein später den Nobelpreis. Für politisch interessierte Leser sie hier angemerkt, dass Lenard in späteren Jahren, ab etwa 1920 als glühender Antisemit auftrat und zum Beispiel Einsteins Relativitätstheorie als "jüdische Physik" scharf ablehnte.[15] Zu Einsteins Deutung des Effekts, siehe den Artikel zum Lichtquant ↗