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Fizeau Freie Elektronen Franck-Hertz
Planck-Konstante Massenspektroskopie Roentgenstrahlen
Plancksches Strahlungsgesetz Debye-Scherrer


Fizeau

Der französische Physiker A. H. Fizeau ( 1819-1896 ) bestimmte durch irdische Messungen die Geschwindigkeit des Lichts. Das war im Jahre 1849. Von einer Lichtquelle oben im Bild fällt ein Strahlenbündel auf einen halbdurchlässigen Spiegel. Von diesem wird das Licht teilweise reflektiert und läuft dann durch 

Lichtgeschwindigkeit nach Fizeaudie Lücke eines Zahnrads zu einem 8,33 Kilometer entfernt aufgestellten ebenen Spiegel. Das Zahnrad hat 720 Lücken und ebenso viele gleich breite Zähne. Am ebenen Spiegel rechts im Bild wird das Licht reflektiert und auf dem gleichen Weg in die Ausgangslücke zurückgeschickt. Bei ruhendem Rad sah Fizeau den Spiegel hinter der Beobachtungslücke hell. Wurde das Rad aber entsprechend schnell genug gedreht, traf der in sich selbst zurücklaufende Strahl statt auf die Ausgangslücke auf den ihr folgenden Zahn. Fizeau sah dann das Gesichtsfeld hinter der Glasplatte dunkel, wegen der endlichen Geschwindigkeit des Lichts. Diese Dunkelheit trat genau dann ein, wenn eine Lücke auf dem Weg zum Übergang davor auf der Kreisbahn 18000 -¹ Sekunden brauchte. Das ist gerade die Zeit für das Drehen des Zahnrads von einer Lücke zu einem Zahn. Das Licht benötigte also 18000 -¹   Sekunden um 2 mal 8,33 km zurückzulegen. In einer Sekunde legt das Licht also etwa 18000 mal 2 mal 8,33 km zurück. Das sind 299.880 km.
Mit Fizeaus Versuch auf der Erde wurde die von Olaf Römer 1676 durch astronomische Messungen bestimmte Lichtgeschwindigkeit in ihrer Größe bestätigt. Physiker verwenden bei Berechnungen mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum meist den gerundeten Wert von  c = 300.000 km durch sec.

Freie Elektronen

Gluehemission von ElektronenDas Elektron ist ein negativ geladenes Elementarteilchen. Das Symbol für das Elektron ist "e-". Die elektrische Ladung des Elektrons ist gleich der Elementarladung. Jede sonstige elektrische Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches dieser Elementarladung. Die Energie des Elektrons wird in Elektronenvolt "eV" gemessen. In Metallen erfolgt eine Elektrizitätsleitung durch die negativ geladenen Elektronen bekanntlich nach Anlegen einer Spannung. Elektronen bilden die Elektronenhülle der Atome. Das nicht leicht verständliche atomare Verhalten der Elektronen wird durch die Modelle der Quantentheorie beschrieben.
Durch Ionisation verlassen die Elektronen den Einflussbereich der Atome und werden zu freien Elektronen. Ein hoch erhitztes Metall wie im Bild zu sehen gibt Elektronen ab. Um ein im Inneren des Metalls frei verschiebliches Elektron durch die Oberfläche ins Vakuum zu bringen ist Austrittsarbeit erforderlich. Bei Alkalimetallen ist diese Austrittsarbeit mit nur einigen eV besonders niedrig. Alkalimetalle besitzen in ihrer äußersten Schale ihrer Atome nur ein Elektron, das Valenzelektron.


Aufbau einer Gluehemissions-DiodeVerstärkt durch eine Heizbatterie treten aus einer Kathode Elektronen aus. Sie werden im elektrischen Feld von der geheizten Kathode zur Anode hin beschleunigt. Die Stärke des Anodenstroms ist von der Anodenspannung abhängig. In der Diode fließt nur dann ein Anodenstrom, wenn die Anode an den positiven Pol der Anodenbatterie angeschlossen ist. Wegen der beiden Elektroden werden Diodenröhren auch als Zweielektrodenröhren oder Zweipolröhren bezeichnet. In modernen Schaltkreisen ist die Röhrendiode meist durch eine Halbleiterdiode ersetzt. Diese Halbleiterdiode ist der Röhrendiode prinzipiell sehr ähnlich.






Aufbau einer Roehren-TriodeEine Triode ist eine Elektronenröhre mit drei Anschlüssen. Zwischen Glühkathode und Anode tritt bei der Triode noch eine Steuerelektrode oder auch Gitterelektrode genannt hinzu. Dieses Steuergitter besteht aus einem weitmaschigen Netz oder einer Drahtwendel. Es steuert mit seiner Spannung den Anodenstrom. Die Triode ist der Vorgänger des Transistors, einem Halbleiter- Bauelement.








Ionisation von LuftUnter Normalbedingungen tritt in Gasen keine merkliche Bewegung von Elektronen also kein Strom auf. Die uns umgebende Luft z.B. ist somit ein guter Isolator. Das ändert sich aber bei Zufuhr von Energie, was in Form von Wärme oder radioaktiver Strahlung erfolgen kann. Der Grund dafür liegt in einer Ionisation des Gases. Durch Energiezufuhr werden einzelne Elektronen aus den anfangs neutralen Gasmolekülen herausgelöst. Auf diese Weise bilden sich Elektronen und positive Gas-Ionen als bewegliche Ladungsträger.





Stoßionisation in GasenladungsroehrenAuch durch Stoßionisation können bewegliche Ladungsträger wie Elektronen erzeugt werden, wenn schnelle geladene Teilchen mit hoher kinetischer Energie auf eine Oberfläche oder auf andere Teilchen prallen. Die Stoßparameter werden dabei ionisiert und lösen damit freie Elektronen aus. Durch ein elektrisches Feld lassen sich die Elektronen nämlich so stark beschleunigen, dass sie beim Auftreffen auf Gasmoleküle von diesen Elektronen abspalten. In einem lawinenartigen Prozess entstehen weitere Elektronen und positiv geladene Gas-Ionen. Oberhalb einer bestimmten Grenzspannung, die vom Druck und von der Art des Gases in der Elektronenröhre abhängt, kommt es sogar zu einer selbständigen Gasentladung. Diese ist mit unterschiedlichen Leuchterscheinungen verbunden. Kommerziell werden Gasentladungen z.B. bei Glimmlampen und Leuchtstofflampen genutzt.



Aeußerer lichtelektrischer EffektDer Photoeffekt, auch Fotoeffekt geschrieben und auch lichtelektrischer Effekt genannt, weist auf eine Teilchenstruktur des Lichts hin. Der Photoeffekt wurde bei der Bestrahlung von geschmirgelten Zinkplatten mit unterschiedlichem Licht entdeckt. Bestrahlt man eine negativ geladene Zinkplatte mit ultraviolettem Licht, so wird die Zinkplatte entladen. Die UV-Strahlung löst Elektronen aus der Zinkplatte heraus, die dann als freie Elektronen zur Verfügung stehen. Die negative Ladung der Zinkplatte verringert sich somit. Nutzt man statt UV-Licht das ( schwächere ) sichtbare Licht, so wird die negativ geladene Zinkplatte nicht oder nur sehr wenig entladen. Daran ändert sich nichts, auch wenn man mengenmäßig mehr sichtbares Licht zur Platte schickt. Um aus einem Festkörper freie Elektronen zu gewinnen, ist eine bestimmte Arbeit erforderlich. Diese Arbeit wird als Ablösearbeit oder als Austrittsarbeit bezeichnet.


Die PhotozelleEine Anwendung für den äußeren lichtelektrischen Effekt ist die Photozelle. In einer Photozelle stehen sich zwei Elektroden gegenüber. Auftreffendes Licht löst aus der Photoelektrode freie Elektronen aus. Zwischen beiden Elektroden fließt ein Photostrom, der proportional zur Beleuchtungsstärke ist. Also der somit von der Frequenz des Lichts abhängt.








Das PhotoelementEine Anwendung für den inneren lichtelektrischen Effekt ist das Photoelement. Zusätzliche Elektronen werden freigesetzt ohne jedoch den Körper zu verlassen.








Licht von hoher Frequenz wie UV-Licht gibt seine Energie in großen Portionen ab. Bei sichtbarem Licht mit einer niedrigeren Frequenz und größerer Wellenlänge sind die abgegebenen Portionen, oder auch Quanten genannt, viel kleiner. Ist die Energieportion des Lichts größer als die Austrittsarbeit für ein Elektron, so wird die überschüssige Energie in Bewegungsenergie des Elektrons umgewandelt. Für diese Energiebilanz gilt:
E = Austrittsarbeit + kinetische Energie
Die Formel beschreibt den äußeren lichtelektrischen Effekt, wie in der einen Abbildung dargestellt. Hier treten die Elektronen aus der Oberfläche von Festkörpern aus.
Beim inneren lichtelektrischen Effekt, der in der anderen Abbildung dargestellt ist, verlassen die Elektronen im Inneren eines Festkörpers ihre Bindung. Danach stehen sie als freie Leitungselektronen zur Verfügung.
         Die Vorarbeiten für den lichtelektrischen Effekt lieferten Heinrich Hertz ( 1857-1894 ) im Jahre 1887, Wilhelm Hallwachs ( 1859-1922 ) und Philipp Lenard ( 1862-1947 ) im Jahre 1888. Erst Albert Einstein  ( 1879-1955 ) erklärte im Jahre 1905 den lichtelektrischen Effekt von einer theoretischen Seite und erhielt dafür den Nobelpreis der Physik im Jahre 1922.

Franck-Hertz
Bekanntlich umkreisen die Elektronen der Atomhülle ihren Kern in bestimmter Ordnung. Sie bewegen sich auf sogenannten Schalen. Die Radien dieser Schalen nehmen mit der Größe des Atoms zu. Jede Schale kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Die erste Schale maximal 2 Elektronen, die zweite Schale maximal 8 Elektronen und die dritte Schale maximal 18 Elektronen usw. Danach müssten sich die Elektronen also in diskreten Umlaufbahnen der Atomhülle bewegen. Jeder der nach den Quantenbedingungen zulässigen Elektronenbahn müsste ein Energieniveau entsprechen.
Die DreielektronenroehreIn der Skizze ist eine Dreielektronenröhre dargestellt. Sie besitzt außer der beheizbaren Glühkathode und der Auffanganode noch eine dritte Elektrode. Diese ist als Gitter ausgebildet und dient als Beschleunigungselektrode. Von der Kathode ausgehend treffen beschleunigte Elektronen auf die Quecksilberatome. Die Quecksilberatome dienen hier als Stoßpartner für die Elektronen. Die Höhe der Beschleunigungsspannung kann jeweils an einem Voltmeter abgelesen werden. Eine Änderung der Beschleunigungsspannung führt zu einer Veränderung der Geschwindigkeit der Elektronen. Das bedeutet aber auch, dass sich die kinetische Energie der Elektronen steuern läßt. Dabei stellt sich heraus, dass nur solche Elektronen zur Anode gelangen, die eine Mindest-Bewegungsenergie besitzen. Wie viele Elektronen tatsächlich zur Anode gelangen, wird mithilfe des Stromes ermittelt, der zwischen Kathode und Anode fließt. Der Strom kann gemäß der Skizze am Amperemeter abgelesen werden.


Stromstärke-Spannungs-Kurve
Nach dem Einschalten der Kathodenheizung werden die ersten Elektronen frei. Nun wird die Beschleunigungsspannung schrittweise erhöht. Zunächst steigt der Stromfluss durch die Röhre langsam an. Bei einer bestimmten Spannung jedoch, fällt die Stromstärke schlagartig wieder ab. Nur noch wenige Elektronen erreichen die Anode. Erhöht man die Beschleunigungsspannung weiter, so steigt die Stromstärke wieder an und sinkt nach Erreichen eines weiteren Höchstwertes abermals ab. Dieser Verlauf der Stromstärken in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung ist in dem Diagramm dargestellt.
Der Grund für das Absinken liegt in der Anregung von Quecksilberatomen. Bei einem Element wie Quecksilber werden bestimmte Elektronen, die Valenzelektronen, durch unelastische Stöße aus dem Grundzustand angeregt. Die Quecksilberatome nehmen dabei Energie von den Elektronen auf. Diesen gelingt dann nicht mehr das von der Anode aufgebaute geringe Gegenfeld zu überwinden. Auf ihrem Weg zur Anode können die Elektronen hierbei gleich zweimal oder mehrmals ihre Energie an die Quecksilberatome abgeben. So erklärt sich, dass mehrere Maxima und Minima entstehen. Beim Quecksilber stellt sich dieser Höchstwert für den Stromfluss immer dann ein, wenn die Beschleunigungsspannung jeweils um 4,9 Volt erhöht wird. Aus den Beobachtungen folgt, dass die Quecksilberatome nicht beliebige Energiewerte aufnehmen oder abgeben können. Die kinetische Energie eines Elektrons muss der Differenz zweier atomarer Energieniveaus entsprechen. Nur dann kann die kinetische Energie durch das Quecksilberatom aufgenommen werden.
Durch die Ionisationspotentiale in diesem Versuch wurde erstmals die Existenz diskreter Energieniveaus in den Atomen bestätigt. Es findet ein quantenhafter Energieaustausch zwischen den Elektronen und den Quecksilberatomen statt.

Planck-Konstante
Zu den sogenannten Naturkonstanten gehören 
die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c ,
die Gravitationskonstante G
und die Elementarladung e.
Naturkonstanten lassen sich durch unterschiedliche physikalische Fragestellungen ermitteln. Man erhält stets den gleichen Wert. Naturkonstanten besitzen im gesamten Universum wahrscheinlich die gleiche Größe und sie ändern sich im Laufe der Zeit nicht. Eine weitere solche Naturkonstante außer den genannten ist das plancksche Wirkungsquantum h. Es gilt als Proportionalitätsfaktor zwischen der Energie E und der Frequenz ν ( Ny ).
Plancksches Wirkungsquantum.In einer Vakuum-Photozelle fällt Licht auf eine Kathode mit einer dünnen Schicht Alkalimetall als Oberfläche. Wegen der geringen Austrittsarbeit für Alkalimetalle können bereits bei Einfall von sichtbarem Licht Elektronen die Kathode verlassen. Die freigesetzten Elektronen besitzen eine bestimmte maximale kinetische Energie E ( kin ). Es fließt ein Strom. Legt man aber eine Gegenspannung zwischen Kathode und Anode an, so werden die Elektronen durch das Gegenfeld abgebremst. Wenn die kinetische Energie der Elektronen nicht mehr ausreicht, um das Gegenfeld zu überwinden, dann ist die Stromstärke Null. In diesem Fall gilt:
E ( kin ) =  ½ m v²
Außerdem gilt:
E ( kin ) = e mal U.
Hierbei ist U die Spannung zwischen Kathode und Anode bei der Stromstärke I = Null. Somit ist eU gleich der Arbeit gegen das elektrische Feld. Wird die Kathode mit Licht unterschiedlicher Frequenz bestrahlt, dann erhält man eine Beziehung zwischen Energie und Frequenz. Im Schaubild erhält man eine Gerade.
Zusammenhang zwischen Energie und FrequenzDer Schnittpunkt der Geraden mit der Abszisse, der ν-Achse ( Ny-Achse ), ist diejenige Frequenz, die das einfallende Licht mindestens haben muß, um Elektronen aus dem jeweiligen Metall herauszulösen. Für die Grenzfrequenz ergibt sich aus der stoffabhängigen Austrittsarbeit   ( W ) für Natrium z.B.:
ν ( Na ) = W ( Na ) / h
Wir benutzen für die Natrium-Kathode zwei unterschiedliche Photon-Frequenzen., ν ( 1 Na ) und ν ( 2Na ). Hiermit läßt sich die plancksche Konstante folgendermaßen bestimmen:
U ( 1 ) mal e = h mal ν ( 1 Na ) - W ( Na )
U ( 2 ) mal e = h mal ν ( 2 Na ) - W ( Na )
und
( U ( 1 )-U ( 2 )) mal e = h mal (ν ( 1 Na )-ν ( 2 Na ))
daraus folgt:
                                                           h = e mal ( U ( 1 ) - U ( 2 ) / ν ( 1 Na ) - ν ( 2 Na ) ).
Weil die für das Metall ( Natrium ) materialabhängige Austrittsarbeit W ( Na ) aus den Gleichungen herausfällt. Die Steigung der Geraden im Diagramm entspricht dem Quotienten aus der Energieänderung ΔE und der Frequenzänderung Δν ( Delta Ny ). Dieser Quotient ist für alle Festkörper gleich, er ist stoffunabhängig. Der Quotient wird als plancksches Wirkungsquantum oder als Planck-Konstante bezeichnet. Diese Konstante hat den Wert:
h = 6,626 mal 10 ‾34 J mal s
Die Planck-Konstante tritt in den unterschiedlichsten Bereichen der Physik auf. Sie spielt in den Gesetzen der Atomphysik, der Kernphysik und der Elementarteilchenphysik eine Rolle. Sie bildet den Proportionalitätsfaktor zwischen der Energie eines Photons und der Frequenz ν der entsprechenden elektromagnetischen Strahlung:
E = h mal ν.

Roentgenstrahlen
Der erhitzte Heizdraht einer Kathode sendet Elektronen aus. Diese werden durch ein starkes Spannungsgefälle zwischen Kathode und Anode beschleunigt. Die hochenergetischen Elektronen treffen auf eine schräggestellte sogenannte Prallelektrode. Dort regen sie deren Atome zu heftigen Schwingungen an.
Darstellung einer RoentgenroehreEs kommt zur Emission von Röntgenstrahlung. Auch die abgebremsten Elektronen senden Röntgenstrahlen aus.
Je nach Art ihrer Entstehung unterscheidet man eine charakteristische Röntgenstrahlung und eine Röntgenbremsstrahlung. Im Fall der charakteristischen Röntgenstrahlung hebt ein schnelles Elektron ein kernnahes, fest gebundenes Elektron auf ein höheres Energieniveau. Der freie Platz wird mit einem Hüllenelektron aus einer weiter außen liegenden Schale wieder aufgefüllt. Dabei wird ein Photon emittiert, dessen Energie der Energiedifferenz zwischen den beteiligten Elektronenzuständen bzw. den beteiligten Schalen entspricht. Bei diesen Übergängen sind nur ganz bestimmte sogenannte diskrete Energiedifferenzen möglich. Die Frequenz ν der charakteristischen Röntgenstrahlung kann eben nur ganz bestimmte Werte annehmen.

Zwei unterschiedliche RoentgenspektrenMan erhält ein diskretes Spektrum, welches Röntgenlinienspektrum genannt wird. Das Spektrum besteht aus einzelnen, scharfen Spektrallinien. Diese sind für die aussendenden Atome und somit für das verwendete Material, wie schon der Name sagt, charakteristisch. Die Spektrallinien der zum Atomkern zurück springenden Elektronen werden als K-, L- und M-Linien bezeichnet. Entsprechend heißen ja die Schalen um den Atomkern herum.
      Beim Bremsspektrum werden die auf die Anode auftreffenden Elektronen im Moment des Eindringens in die Atomhülle abgebremst. Dabei wird die kinetische Energie des Elektrons in Strahlungsenergie umgewandelt. Das Spektrum ist kontinuierlich, weil die Elektronen eine beliebige Menge an Energie auf einmal verlieren können. Das erfolgt sogar bis zum Verlust ihrer gesamten Energie. Im Spektrum der Röntgenstrahlung ist, wie im Diagramm zu sehen, dem kontinuierlichen Bremsspektrum ein charakteristisches Linienspektrum überlagert. .Die Frequenz der entstehenden Röntgenstrahlung erstreckt sich über einen weiten Bereich. Es gibt jedoch eine obere Grenze, die Grenzfrequenz. Sie liegt auf der kurzwelligen Seite. In einem Extremfall wird die gesamte kinetische Energie des Elektrons auf ein einziges Röntgen-Photon übertragen. Die maximale Photonenenergie beträgt dann:
E ( max ) = e mal U ( max ).
Für die Frequenz dieser energiereichsten Wellen gilt dann:
ν ( max ) = E ( max ) durch h = e U ( max ) durch h
Auch aus dieser Gleichung läßt sich die plancksche Konstante h experimentell bestimmen.
Röntgenstrahlung ist elektromagnetische Strahlung einer kleineren Wellenlänge als die des sichtbaren Lichts. Sie unterscheidet sich von anderer kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung nur durch die Art ihrer Entstehung, nicht dagegen in ihren physikalischen Eigenschaften.
Übermäßige Bestrahlung mit Röntgenstrahlung birgt bekanntlich Gefahren!

Massenspektroskopie

In der Massenspektroskopie ionisiert man erstmal die zu untersuchende Probe. Die positiven Gasionen von Atomen oder Molekülen werden fokussiert. Ein schmaler Ionenstrahl durchläuft elektrische und magnetische Felder. Im elektrischen Feld werden die Ionen beschleunigt.
Der astonsche MassenspektrographIn dem senkrecht zum elektrischen Feld gerichteten magnetischen Feld werden die leichteren Ionen stärker und die schwereren Ionen schwächer abgelenkt. Eine Trennung findet statt. Der Ionenstrahl läßt sich zu einem Spektrum ( Linienfolge ) der Ionenmassen aufspalten. Die Ionen treffen schließlich auf einen fotographischen Film, der nach seiner Entwicklung das Massenspektrum der untersuchten Substanz zeigt. Bei bekannter Ladung der Ionen  kann man aus der Lage der Ionen-Auftreffpunkte die jeweiligen Massen der Ionen bestimmen. Mit dem astonschen Massenspektrographen können geladene Teilchen trotz kleinster Massenunterschiede voneinander getrennt werden.
Die Entwicklung der Massenspektroskopie war ein wichtiger Schritt auf dem Wege zur Erforschung von Atomkernen. Mithilfe der sehr genauen massenspektroskopischen Untersuchungen fand man heraus, dass fast alle Elemente aus mehreren unterschiedlichen Isotopen aufgebaut sind. Wasserstoff z.B. besteht aus drei Isotopen: normalem Wasserstoff, Deuterium und Tritium.
Ein Massenspektrometer läßt sich auch derart umbauen, dass man mit ihm verschiedene Komponenten eines chemischen Gemisches oder Isotope eines Elements quantitativ voneinander trennen kann. Auf diese Weise können bestimmte Anteile eines Elements gezielt angereichert werden.

Plancksches Strahlungsgesetz

Helle und glatte Oberflächen nehmen wenig Strahlung in Form von Wärme auf und geben auch wenig Strahlung ab. Schwarze und rauhe Oberflächen dagegen nehmen viel Wärmestrahlung auf und geben auch viel ab. Zum Verständnis von Emission und Absorption von Strahlung greift man auf spezielle Modelle zurück. So geht man bei der Formulierung des planckschen Strahlungsgesetzes von einem idealisierten Körper aus. Dieser emittiert Temperaturstrahlung von der höchst möglichen Intensität.
Modell eines HohlraumstrahlersAuch die gesamte einfallende Strahlung wird von dem Körper aufgenommen. Das ist der Grund dafür, dass ein solcher Körper schwarz erscheint. Er wird deshalb neben schwarzer Körper, auch schwarzer Strahler oder auch Hohlraumstrahler genannt. Ein solcher schwarzer Körper ist ein Modell, mit dem man einfache und klare Aussagen für die Strahlungsgesetze gewinnen kann. Gemäß der Abbildung läßt sich ein schwarzer Körper realisieren. Es handelt sich dabei um einen mit Ruß oder matter schwarzer Farbe versehenden Hohlkörper mit kleiner Öffnung. Man kann sich dabei einen geschlossenen Brennofen mit Sichtfenster in einer Töpferei  vorstellen. Der Hohlkörper soll gegen seine Umgebung wärmeisoliert sein. Durch die kleine Öffnung absorbiert er die gesamte elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen vollständig. Die durch die Öffnung eintreffende Strahlung wird dabei an den Innenwänden mehrfach reflektiert und gestreut. Sie bleibt praktisch vollständig im Inneren des Hohlkörpers verschwunden. Die Wärmestrahlung, die dann die Öffnung des Hohlraumstrahlers wieder verlässt, ist identisch mit einer Strahlung von gleicher Temperatur. In der Natur gibt es, wie bereits angedeutet keinen realen Körper mit den charakteristischen Eigenschaften eines schwarzen Strahlers.
Spektrum des schwarzen KoerpersDas Spektrum von Temperaturstrahlern war um 1900 durch Experimente und Messungen allgemein bekannt. Eine theoretische Deutung der Ergebnisse gelang jedoch nicht für alle Wellenbereiche zufriedenstellend. Das Wiensche Strahlungsgesetz gibt den kurzwelligen Teil im Spektrum eines schwarzen Körpers richtig wieder. Es versagt aber im langwelligen Bereich. Das Strahlungsgesetz von Rayleigh-Jeans ist eine gute Näherung für den langwelligen Anteil im Spektrum des schwarzen Strahlers. Dieses Gesetz ergibt jedoch im kurzwelligen Bereich viel größere Werte als die gemessenen. Nur das plancksche Strahlungsgesetz beschreibt das Spektrum des schwarzen Körpers mit recht guter Genauigkeit.
Nach diesem Gesetz emittiert der Temperaturstrahler einen Strom einzelner Quanten. Damit erkannte man, dass die Änderung physikalischer Größen nicht notwendiger Weise stetig erfolgen muss, sondern auch sprunghaft erfolgen kann. Die einzelnen Quanten besitzen eine Energie von
E = h mal ν
Diese Erkenntnis wurde dann von Einstein konsequent angewandt, um im Jahre 1905 den Fotoeffekt zu erklären.
Eine spektrale EnergieverteilungMit dem planckschen Strahlungsgesetz läßt sich erkennen, welchen Anteil die einzelnen Wellenlängen zur Energie der gesamten Strahlung eines schwarzen Körpers beitragen. Je höher die Temperatur eines schwarzen Körpers ist, umso intensiver gibt er bei einer bestimmten Wellenlänge Energie ab. Außerdem nimmt der Anteil der kurzwelligen Strahlung mit wachsender Temperatur zu. Das Spektrum des schwarzen Strahlers zeigt ein Maximum. Die Position dieses Maximums verschiebt sich mit steigender Temperatur ( in der Abbildung nach links ) in Richtung kürzerer Wellenlängen. Die mathematische Formulierung dieses Gesetzes ist erstmals Max Planck gelungen. Damit musste er eine fundamentale Konstante h, das plancksche Wirkungsquantum, in die Physik einführen. Er begründete somit die Quantenphysik. Dafür erhielt er 1918 den Nobelpreis für Physik.




Debye-Scherrer

Kristalle sind Festkörper mit relativ einfacher geometrischer Struktur. Die Strukturen werden durch die Anordnung ihrer Bestandteile, der Atome, Moleküle und Ionen bestimmt. Die Bestandteile besetzen die Eckpunkte eines Gitters. Somit läßt sich der geometrische Aufbau von Kristallen durch Gitter beschreiben. Die kleinsten Abstände benachbarter Gitterpunkte werden Gitterkonstanten genannt. Durch Drehung um seine Symmetrieachse geht das Gitter in ein gleichwertiges über.
Die Kristallstrukturanalyse nun ist eine experimentelle, physikalische Methode, um den Aufbau eines Kristalls herauszufinden. Durch sie können die Gitterkonstante und die sogenannte Raumsymmetrieklasse bestimmt werden. Schickt man einen Röntgenstrahl oder Elektronenstrahl durch den Kristall hindurch, so gibt das entstehende Beugungsgitter Aufschluss über die Anordnung der Bestandteile im Gitter.
Kristallstrukturanalyse nach Debye-ScherrerDas gelingt, weil die Wellenlängen von Röntgenstrahlen, Elektronenstrahlen oder Neutronenstrahlen etwa im Bereich der Abstände von 0,1 nm der Kristallgitter liegen. Auf diese Art  können Interferenzen, bzw. Interferenz-Maxima erzeugt werden, die somit über Anordnung des Kristalls Klärung bringen. Die Grundlage dafür ist die Beugung der kurzwelligen
 (  λ  ≈ 10 ‾10  Meter )
elektromagnetischen Strahlung am Raumgitter. Die Beugung erfolgt hier an den Elektronen bzw. an den Elektronenhüllen der die Gitterpunkte besetzenden Bestandteile. Obwohl diese das Gitter weitgehend räumlich ausfüllen, wirken sie doch als räumliche Beugungszentren. Man erhält verwertbare Ergebnisse.
Beim Debye-Scherrer-Verfahren z.B. schickt man einen monochromatischen Röntgenstrahl durch eine Probe von gepressten Kristallen. Die Probe besteht somit aus einer Vielzahl von Kristallen mit unterschiedlichen räumlichen Orientierungen. Wegen der statistischen Lageverteilung erfüllen stets einige die Voraussetzungen für eine Verstärkung der Röntgenstrahlen. Auf einem Film als Detektor entstehen auf diese Weise Ringe, die Debye-Scherrer-Ringe. Der direkte Strahl geht glatt durch. Aber an den Stellen maximaler Verstärkung erfolgt eine Schwärzung des Films. Bei konstruktiver Interferenz liegen die gebeugten Strahlen auf einem Kegelmantel. Die Achse des Kegelmantels fällt mit der Achse des einfallenden Strahls zusammen. Aus dem Winkel zwischen der Strahlachse und den einfallenden Strahlen erhält man den Abstand zwischen den Gitterebenen und damit Aussagen über die Kristallstruktur.
Die Debye-Scherrer-Methode wird vor allem in der Chemie immer dann angewandt, wenn keine ausreichend großen Kristalle für eine Analyse zur Verfügung stehen.

Wird weiter fortgesetzt.