Photon


⟿ Elektromagnetische Strahlung als Teilchen gedacht


Basiswissen


Licht ist eine typische elektromagnetische Strahlung. Woraus besteht es? Seit dem siebzehnten Jahrhundert gibt es Belege für zwei konkurrierende Modellvorstellungen: Welle oder Teilchen. Photon heißt wörtlich übersetzt Licht-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)

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.

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