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Photon

Physik

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Basiswissen｜ Photon als Wort｜ Wichtige Formeln｜ Was ist ein Teilchen an sich?｜ Verhalten von Photonen｜ Photonen geben Lichtblitze｜ Anregung von Atomen mit Photonen｜ Der Photoeffekt｜ Sichtbarkeit｜ Bruch im Weltbild: Eigenschaften von Photonen｜ Form｜ Größe｜ Masse｜ Impuls｜ Frequenz｜ Färbung｜ Dualismus｜ Pragmatismus als Haltung｜ Fußnoten


Basiswissen


Seit den späten 1920er Jahren steht das Wort Photon für ein Lichtquant.[10][11] Die Endung 'on' deutet auf den Teilchencharakter des Lichts hin. Doch wird ein Photon stets als Teilchen mit stark wellenartigem Verhalten gedeutet. Das ist hier kurz vorgestellt. Mit dem Wort Photon begibt man sich von der anschaulichen Welt der klassischen Physik in die unanschauliche Welt der abstrakten Quanten.



Bildbeschreibung und Urheberrecht
Ein Photon, hier modellhaft vorgestellt als sogenanntes Wellenpaket. Der Begriff Photon deutet an, dasss man Licht sowohl teilchen- als auch wellenartig betrachten möchte. © Oleg Alexandrov ☛


Photon als Wort


Neutron, Elektron, Proton, Baryon, Tachyon und so weiter: die Endung on verweist oft auf Objekte, die man als Teilchen betrachten möchte. So kann man Photo wörtlich übersetzen als Licht als Teilchen ↗

Wichtige Formeln


  • Wellenlänge mal Frequenz gleich Lichtgeschwindigkeit c c=lf ↗
  • Impuls gleich Energie durch Lichtgeschwindigkeit E=pc ↗
  • Energie gleich Planck-Konstant mal Frequenz E=hf ↗

Was ist ein Teilchen an sich?


  • Der Begriff Teilchen ist nicht immer klar definiert.
  • Folgende Eigenschaften werden aber von den meisten Autoren angenommen.
  • Diese Eigenschaften werden auch auf diesen Seiten für Teilchen angenommen:
  • Teilchen sind lokal eng begrenzt, sie sind klar gegen ihre Umwelt abgegrenzt.
  • Teilchen bewegen sind stetig durch Raum und Zeit, das heißt: ohne Sprünge
  • Teilchen haben eine Masse, sie können damit einen Impuls übertragen.
  • Teilchen wechselwirken nur über direkten Kontakt (Stoß).
  • Teilchen haben eine kinetische Energie (½·m·v²)

Verhalten von Photonen


Photonen geben Lichtblitze


  • Man kann Lichtkanonen (Lampen) bauen.
  • Man kann damit auf eine Wand "schießen".
  • Man kann die Intensität der Lampe immer weiter reduzieren.
  • Irgendwann sieht man nur noch kleine Lichtpunkte aufblitzen.
  • Das spricht sehr dafür, dass Licht in kleinem Klumpen oder Teilchen ankommt.
  • Licht kommt nicht wellenartig über breite Bereiche eines Schirmes an.
  • Darauf verweist z. B. der Physiker Richard Feynman.

Anregung von Atomen mit Photonen


  • Atomhüllen können die Energie von Licht in sich aufnehmen und wieder abgeben.
  • Der entsprechende Prozess heißt auch Anregung, bzw. Abstrahlung.
  • Dabei beobachtet man für eine bestimmte Farbe immer,
  • dass ein kleinstmögliche Einheiten gibt.
  • Diese werden entweder ganz oder gar nicht aufgenommen.
  • Das spricht für einen Teilchencharakter von Licht.

Der Photoeffekt


  • Man bestrahlt ein bestimmtes Metall mit Licht.
  • Dadurch treten aus dem Metall Elektronen aus.
  • Die genau gemessenen Eigenschaften passen gut auf die Idee von Lichtteilchen.

Sichtbarkeit


Die Stäbchenzellen der menschlichen Netzhaut registrieren einzelne Photonen und machen daraus ein elektrisches Signal. Eine bewusste Wahrnehmung aber erfolgt erst dann, wenn innerhalb von 100 Millisekunden (eine Zehntel Sekunde) etwa 5 bis 9 solcher Signale erfolgen. Das entscheidende Experiment dazu wurde im Jahr 1942 gemacht[3]. Damit kann man sagen: Stäbchenzellen registrieren einzelne Photone, aber für ein bewusstes Sehen braucht es mehrere solcher Ereignisse[1]. Siehe auch Stäbchen [Nachtsehen] ↗

Bruch im Weltbild: Eigenschaften von Photonen


In der klassischen Physik, klar ausformuliert im Weltbild des Mechanismus, besteht die Welt letztendlich aus kleinen Körpern mit Masse und einer Ausdehnung, also einem Volumen. Zwischen diesen kleinsten Körpern, etwa als Atome bezeichnet, wirken einige wenige mathematisch eindeutig zu beschreibende Kräfte. Mit der Idee des Photons, die etwa um 1900 bis 1905 in den Köpfen von Max Planck und Albert Eintein reifte, trat ein neuer Baustein in dieses Weltbild ein. Und es war und ist völlig berechtigt, die alten Fragen an solche Bausteine auch an das neu konzipierte Photon zu richten: hat es etwa eine Form, Masse, Größe, einen Impuls oder eine Farbe?

Form


Ein Physiker ordnet dem Photon eine stäbchen- oder tellerartige Form zu, je nach Energie.[7] In vielen Darstellung in Lehrbüchern erscheinen Photonen als eng übereinander gemalte Sinuslinien als sogenanntes Wellenpacket.[12] Einen interessanten Widerspruch konstruierte um 1926 der Physiker Arthur Stanley Eddington: wenn ein Photon den Stern Sirius verlässt, breitet es sich als Kugelwelle mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus. In dieser Zeit wäre die Form am ehesten die Haut einer Kugel, die rasend schnell wächst. Trifft dann, gut 8,6 Jahre später diese Kugelwelle mit einem ihrer Teile auf ein Atom in der Netzhaut eines Menschen, erscheint die gesamte Energie des Photons an genau dieser engen Stelle. Hat das Photon dann sozusagen schlagartig seine Form von einer kosmisch gigantischen Kugel hin zu einem submikroskopisch kleinen Energiefleck geändert?[13] Eng mit der Frage nach der Form verbunden ist auch die Frage nach der Größe.

Größe


Hat ein Photon eine Ausdehnung, also eine Größe? Braucht er zum Existieren Raum, also Platz? Da das Photon im heutige Sprachgebrauch die Ideen von Teilchen mit der Idee von Wellen verbindet[6] wird die Frage noch komplizierter: Was will man überhaupt mit der Größe eines Photons bezeichnen? Die Größe der mit ihm verbundenen Wellen? Oder die Größe des gedachten Teilchens? In Forschungsartikel und Lehrbüchern findet man unterschiedliche Aussagen:

  • Ein Physiker gibt als mögliche Größe etwa 35 Pikometer an.[7]
  • Ein anderer Physik gibt dem Photon nur eine Größe senkrecht zur Richtung der Ausbreitung.[8]
  • Das Photon ist endlich, hat aber ein unendlich großes Wellenfeld um sich.[9]

Wer der philosophisch motivierten Frage, was denn die Größe eines Photons nun wirklich sei ausweichen möchte, kann sich auf den sicheren Standpunkt zurückziehen, dass ein Photon, ganz unabhängig von seiner wirklichen Größe, einen großen Raumbereich beeinflussen kann, ihn also in physikalischen Eigenschaften verändert. Wenn man aber Photonen in Experimenten mit ausreichend viel Materie wechselwirken lässt, dann erscheint seine gesamte Energie immer in einem sehr kleinen eng begrenzten Raumbereich. Siehe dazu auch den Artikel zum Kollaps der Wellenfunktion ↗

Masse


Auf ein Photon kann man sowohl die Formel E=m·c² als auch die Formel E=h·f anwenden. Mathematisch spricht nichts dagegen. Setzt man die Formeln über die Energie E mathematisch gleich, entsteht m·c²=h·f. Diese Gleichung kann man umstellen nach der Masse m und erhält: m = h·f:c². Ein beachtliches Ergebnis: mathematisch kann man einen Photon jetzt eine Masse zuordnen. Diese wäre von der Größe her gleich dem Produkt aus der Planck-Konstanten h, der Photonenfrequenz f, dividiert durch Quadrat der Lichtgeschwindigkeit c. Wenn ein Photon aber eine Masse hätte, dann müsste es im Weltbild der klassischen Newtonschen Physik auch Impuls, kinetische Energie und Trägheit besitzen. Diese Fragen drängten wurden schon früh im 20ten Jahrhundert ausführlich diskutiert. Siehe mehr unter Photonenmasse ↗

Impuls


  • Hält man einen Lichtstrahl auf einen Gegenstand, dann wird dieser durch den Lichtstrahl beschleunigt.
  • Umgekehrt: schleudert man von einem Gegenstand Licht weg, dann erfährt der Gegenstand eine Schubkraft (Photonenrakete).
  • Das spricht sehr dafür, dass Licht Impuls überträgt.
  • Impuls ist eine typische Eigenschaft von Masse.
  • Und Masse ist eng verbunden mit der Teilchen-Idee.

Frequenz


In der Quantenphysik ordnet man über die Formel E=h·f jedem Photon mit der Energie E eine Frequenz f zu. Das h in der Formel ist eine immer gleich große Zahl, die sogenannte Planck-Konstante. In der klassischen Physik ist die Frequenz eng verbunden mit der Idee einer Schwingungen, einer periodischen, das heißt sich ständig auf gleiche Weise wiederholenden Hin- und Herbewegung. Was aber soll nun die Frequenz f eines Photons anschaulich bedeuten? Schlängelt sich ein Photon als Teilchen wurmartig auf einer Art sinusförmiger Wellenlinie durch den Raum? Zittert ein Photon hin und her oszillierend um einen Mittelpunkt, während es sich durch den Raum bewegt? Keine dieser Antworten ist richtig. Die Sache ist vielschichtiger. Siehe dazu den Artikel zur Photonenfrequenz ↗

Färbung


In welcher Farbe ein Photon erscheint hängt eindeutig von seiner Frequenz ab. Wenn ein Photon etwa vom Vakuum in ein Medium wie Wasser wechselt, wird seine Wellenlänge sehr viel kleiner, aber die Frequenz und auch die von uns wahrgenommene Farbe des Photons bleiben gleich. Siehe dazu auch Farbwahrnehmung ↗

Dualismus


In der klassischen Welt kann eine Sache nicht gleichzeitig ein Teilchen und eine Welle sein. Ein Teilchen ist immer auf engem Raum lokalisiert. Seine Masse und Energie sind immer an einer klar definierbaren Stelle. Bei einer Welle verteilt sich die Energie auf einen großen Raum oder eine große Fläche. Photonen zeigen Effekte von beiden Vorstellungen. Mehr dazu unter Welle-Teilchen-Dualismus ↗

Pragmatismus als Haltung


Wer diese Seite bis hier gelesen hat wird den Eindruck bekommen haben, dass die berechtigten Fragen nach Form, Größe, Masse und ähnlich scheinbar klaren Eigenschaften bei Photonen zu verwickelten Problemen führen. Interessant ist nun, dass viele Naturwissenschaftler solche ontologischen (Was ist das Wesen des Seins?) Fragen problemlos beseite legen können.


ZITAT:

"Würde man mich zwingen, in einem Satz meine Haltung zur Kopenhagener Deutung zusammenzufassen, dann wäre die Antwort: 'Halt die Klappe und rechne!"[14]


Halt die Klappe und rechne! Damit ist gemeint, dass man sich nicht in philosophische Fragen verbohren soll. Stattdessen gibt es eine große Fülle von praktischen Problemen, oft rechnerischer Art, die man auch ganz ohne die Philosophie hinter der Physik erfolgreich lösen kann. Wenn ich weiß, dass einem gelben Photon eine Wellenlänge von 570 bis 600 Nanometern zugeordnet ist, und mich interessiert nur die Frage, wo bei einem bestimmten Doppelspaltexperiment die Maxima und Minima auftreten, dann kann man mit Hilfe der bekannten Formeln die Frage sofort lösen. Es ist für die Lösung völlig unerheblich, welche Größe, Form, Masse das Photon hat oder was man sich unter der Frequenz oder der Wellenlänge vorstellen sollen: Formeln nehmen, rechnen, Antwort geben. Das ist der pragmatische Ansatz es Shut up and calculate ↗

Fußnoten


  • [2] Julie Schnapf, "How Photoreceptors Respond to Light", Scientific American, April 1987
  • [3] S. Hecht, S. Schlaer and M.H. Pirenne, "Energy, Quanta and vision." Journal of the Optical Society of America, 38, 196-208 (1942)
  • [3] D.A. Baylor, T.D. Lamb, K.W. Yau, "Response of retinal rods to single photons." Journal of Physiology, Lond. 288, 613-634 (1979)
  • [4] Max Planck: Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum. In: Verhandlungen der Deutschen physikalischen Gesellschaft. Band 2, Nr. 17. Berlin 1900, S. 237–245, doi:10.1002/phbl.19480040404
  • [6] "The wave-like properties of microscopic particles such as an electron and proton are usually described by wave functions in quantum mechanics, and the particle-like behaviors are governed by the classical or relativistic dynamic equations where they are usually simplified as a point with mass." In: Shan-Liang Liu: Electromagnetic fields, size, and copy of a single photon. 30 May 2018. arXiv:1604.03869v4 [physics. optics]
  • [7] Ein Photon ist halb so lang wie seine Wellenlänge: " Since the length of a photon is equal to half of the wavelength and the radius is proportional to square root of the wavelength, the size and shape of a photon vary with the photon energy or wavelength. A photon is in shape like a thin stick if its energy is lower than the rest energy of an electron and like a plate if its radius is smaller than the classical radius of an electron. For a photon of hν=13.6 eV, the photon radius is 34.9 pm and is less than the Bohr radius. This indicates that a photon can ionize a hydrogen atom at ground state only if its radius is less than the Bohr radius." In: Shan-Liang Liu: Electromagnetic fields, size, and copy of a single photon. 30 May 2018. arXiv:1604.03869v4 [physics. optics]
  • [8] Ein Photon hat eine Größe senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung: Richard A. Hutchin: The Size of a Photon. In Optical Physics Company, Simi Valley, USA. DOI: 10.4236/opj.2021.115010
  • [9] Ein Photon hat eine endliche Größe, ist aber mit einem potentiell unendlich großen Wellenbereich umgeben: Geoffrey Hunter, Marian Kowalski, Camil Alexandrescu: Einstein’s Photon Concept Quantified by the Bohr Model of the Photon. York University, Toronto, Ontario, Canada. arXiv:quant-ph/0506231v1 28 Jun 2005.
  • [10] Das Wort Photon wurde spätestens seit dem Jahr 1916 genutzt, in der heutigen Bedeutung aber erst seit den späteren 1920er Jahren. In: Helge Kragh: Photon: New light on an old name. 2014. Dort heißt es: "Ever since the late 1920s, to physicists the term 'photon' has just been an apt synonym for the light quantum that Einstein introduced in 1905. Although 'light quantum' is still in use, today it is far more common to speak and write about 'photon.'" Online: https://arxiv.org/abs/1401.0293
  • [11] Klaus Hentschel: Lichtquanten. Die Geschichte des komplexen Konzepts und mentalen Modells von Photonen. Springer Spektrum. 2023.
  • [12] Die Wellen selbst werden als potentziell unendlich ausgedehnt gedacht. Durch eine mathematische Addition verschiedener Sinusfunktionen wird daber der Summenwert dieser Wellen fast überall zu Null. Nur an einem kleinen Bereich addieren sich die Wellen zu einer Art symmetrischem Hügel auf. Das erscheint dann als Form des Photons. Siehe dazu auch Wellenpaket ↗
  • [14] Den pragmatischen Zugang zur Quantenphysik soll David Mermin angesprochen auf die Kopenhagener Deutung auf die prägnante Formel gebracht haben: "If I were forced to sum up in one sentence what the Copenhagen interpretation says to me, it would be 'hut up and calculate!'”. Das Zitat stammt aus einer Veröffentlichung dazu, ob die Quantenphysik nun rätselhaft ist oder nicht: N. David Mermin; What's Wrong with this Pillow? Physics Today 1 April 1989; 42 (4): 9–11. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2810963