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Photon

Physik

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Basiswissen｜ Photon als Wort｜ Was ist ein Teilchen an sich?｜ Photonen geben Lichtblitze｜ Anregung von Atomen mit Photonen｜ Der Impuls von Photonen｜ Der Photoeffekt｜ Entweder oder｜ Fakten zu Photonen｜ Kann man ein einzelnes Photon sehen?｜ Welche Farbe hat ein Photon?｜ 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.



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, 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 ↗

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)

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 Impuls von Photonen


  • 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.

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.

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

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] ↗

Welche Farbe hat ein Photon?


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 ↗

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.