Photon
Physik
Basiswissen
Als Photo bezeichnet man Licht im sogenannten Welle-Teilchen-Dualismus betrachtet. 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.
Photon als Wort
Neutron, Elektron, Proton, Bayrion, 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
Teilchen
- 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)
- Siehe auch => Teilchen [allgemein]
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
- Atomhüllen können die Energie von Licht in sich aufnehme 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.
- So entsteht ein => Linienspektrum
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.
- Siehe dazu auch => Photonenimpuls
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.
- Mehr unter => Photoelektrischer Effekt
Entweder oder
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
Fakten zu Photonen
- Wellenlänge mal Frequenz gleich Lichtgeschwindigkeit c
- Die Lichtgeschwindigkeit hängt vom Medium ab.
- Energie gleich Frequenz mal Planck-Konstante
- Impuls gleich Energie durch Lichtgeschwindigkeit
Kann man ein einzelnes Photon sehen?
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]
Literatur
- [1] Philip Gibbs: Can a Human See a Single Photon? Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. FAQ Seiten Physik. 1996. Online: https://www.desy.de/user/projects/Physics/Quantum/see_a_photon.html
- [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
- [5] Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Annalen der Physik 17, 1905, S. 132ff.
