Teilchen oder Welle – Das ist hier die Frage!

Um 1900 war die Welt der Physik noch in Ordnung. Stolze und angesehene Professoren lehrten ihre Studenten die Errungenschaften der Forschung mit der Erkenntnis, dass jedes Phänomen in der Natur im Prinzip genau berechenbar sei, machte man dies nur gründlich genug.
Die Industrialisierung machte rasante Fortschritte und war der Beweis für die unerschütter- liche Gültigkeit der niedergeschriebenen Naturwissenschaften.
1869 hatte Mendeleev sein Periodensystem der Elemente veröffentlicht.
Seit der Entdeckung des Elektrons 1897 war dann klar, dass alle Elemente in der Natur aus einem Kern und Elektronen bestehen.
Die Existenz eines Atomkerns wurde zwar erst 1911 von Rutherford direkt bewiesen, die Vorhersage für die Existenz des Kerns bestand bereits.

Lenard, Einstein und der Photoeffekt

1902 machte der deutsch-ungarische Physiker Philipp Eduard Anton von Lenard die experimentelle Entdeckung, dass bei der Beobachtung von Metall mit Licht nahe des Ultravioletten Elektronen des Metalls vom Licht aus dem Kristallverbund des Metalls herausgelöst werden, so dass ein Strom fließt, dessen Stärke von der Frequenz des Lichts abhängt. Nach der damals geltenden Lehre hätte man aber erwartet, dass die Intensität des Lichts die gemessene Stromstärke bestimme. Außerdem wäre zu erwarten gewesen, dass das Metall zunächst eine bestimmte Zeit mit Licht einer festen Frequenz und Intensität bestrahlt werden muss, bis genug Energie im Metall gesammelt worden wäre, so dass sich Elektronen lösen könnten.
Doch auch die Erwartung wurde experimentell nicht bestätigt. Schon die geringste Intensität erzeugte ohne messbare Zeitverzögerung einen Elektronenstrom.

Diese Umstände konnten die meisten der damals angesehenen Gelehrten kaum in ihrem Weltbild erschüttern. 1905 aber machte Albert Einstein den entscheidenden Schritt und interpretierte das Phänomen mit dem Postulat, dass Licht aus kleinen Energieeinheiten besteht, sog. Photonen, die sich wie Teilchen verhalten, also Kollisionen mit den Elektronen im Metall eingehen. Das Problem war nur: Seit über 350 Jahren war die Huygenssche Wellenmechanik die funktionierende Theorie zur Beschreibung von Wellenphänomenen aller Art.

1803 zeigte der englische Naturwissenschaftler Thomas Young, dass Licht als Wellenphäno- men zu betrachten ist und seit der Entdeckung der elektromagnetischen Wellen 1864 durch James Clerk Maxwell war die Beschreibung des Lichts als elektromagnetische Welle auch in mathema- tischer Form möglich.

Wie kann Licht also ein Wellenphänomen sein
und gleichzeitig die Eigenschaften von Teilchen aufweisen?

Louis de Broglie ging 1924 noch einen Schritt weiter und postulierte, dass, wenn Licht Teilchencharakter habe, sich auch Teilchen wie Licht verhalten könnten, also Wellen- charakter besäßen. Ein Strahl von Elektronen etwa sollte sich also wie ein Lichtstrahl verhalten. 1927 gelang Davisson und Germer tatsächlich dieser Nachweis.