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Photonenimpuls

h·f:c oder p = h/l

Basiswissen


Photon heißt so viel wie Lichtteilchen und steht für die Teilcheneigenschaften von Licht. Einem Teilchen kann man einen Impuls (Geschwindigkeit mal Masse) zuordnen. Drei Formeln erlauben es, einem gedachten Lichtteilchen (Photon) einen Impuls zuzuordnen[2], wenn man seine Wellenlänge oder Frequenz kennt.

Formeln für den Photonenimpuls



Legende zum Photonenimpuls



Haben Photonen auch eine Masse?


Wenn man Photonen einen Impuls zuordnet, haben sie dann auch eine Masse? Üblicherweise verbindet man die Idee eines Impulses mit Massen. Fliegende Gewehrkugeln, sich bewegende Raketen oder fließendes Wasser haben alle einen Impuls und auch eine Masse. Tatsächlich gilt Masse in der Physik aber nicht mehr als einziger Träger eines Impulses. Auch Wellen ordnet man etwa einen Impuls zu. Damit ist auch der Schluss vom Impuls eines Photons auf eine Photonenmasse nicht zwingend. Photonen gelten in der Physik eindeutig als masselos[1], sie haben keine sogenannte Ruhemasse. Kurz: jede Masse kann einen Impuls haben. Aber nicht alles was einen Impuls hat, muss auch Masse haben. Lies mehr dazu unter Lichtmasse ↗

Welche Beobachtungen und Experimente belegen den Impuls von Photonen?


Photonen haben keine (Ruhe)Masse. Man ordnet ihnen nicht sinnvoll eine Masse in Kilogramm, Gramm oder sonst einer Einheit zu. In der klassischen Physik aber ist der Impuls als Produkt von Masse m und Geschwindigkeit v definiert. So gesehen, könnte man einem Photon keinen Impuls zuordnen. Dass Photonen einen Impuls haben wurde spätestens in den 1910er Jahren erwogen[2] und später durch mehrere Beobachtungen und Experimente auch empirisch bestätigt.

a) Der Schweif eines Kometen


Im Jahr 1619 veröffentlichte Johannes Kepler eine Schrift über Kometen. Darin beschrieb er die auch heute noch gültige Beobachtung, dass der Schweif eines Kometen stets von der Sonne weg zeigt, unabhängig von der Richtung, in die sich der Komet bewegt. Kepler argumentierte richtig, dass dies durch eine mechanische Kraft vermittelt sein könnte, die vom Licht der Sonne ausgeht. Siehe auch Komet ↗

b) Die Lichtmühle als vermeintlicher Nachweis


Im Jahr 1874 veröffentlichte de Londoner Physiker Crooke die Gedanken zu einer von ihm konstruierten Lichtmühle[4]. Diese Lichtmühlen kann man noch heute, etwa in Glasbläsereien kaufen: die auf einer senkrechten Welle montierten Flügel sind auf einer Seite schwarz und auf der gegenüberliegenden Seite hell. Die schwarze Seite absorbiert Licht, die helle reflektiert es. Durch Bestrahlung mit Licht beginnt sich das Rad zu drehen. Crooke hatte das als Nachweis des Lichtdruckes gedeutet. Eine genauere Betrachtung der übertragenen Impulse aber zeigte, dass das nicht die Erklärung gewesen sein konnte.

c) Lichtdruck experimentell nachgewiesen


Im Jahr 1901 erschienen eine Veröffentlichungen des russischen Physiker Lebedev[5] sowie eine weitere Veröffentlichung von Nichols und Hull[5] über den experimentellen Nachweis des sogenannten Lichtdrucks, ein Beleg dafür, dass Licht (das Wort Photon war damals noch unbekannt) einen Impuls übertragen kann. Heute spricht man allgemeiner auch von Strahlungsdruck ↗

d) Einsteins Atom-Rückstoß


Im Jahr 1916 veröffentlichte Albert Einstein Gedankenexperimente zum Rückstoß den Atome beim Einfangen (Absorption) und Aussenden (Emission) von Lichtquanten erfahren müssten[7]. Dabei warf Einstein einen Widerspruch auf: wenn die einfallenden Photonen, die absorbiert werden, eine bestimmte Richtung haben, müsste das absorbierende Atom einen Impuls in genau dieser Richtung erfahren. Wenn ein Atom aber ein Photon in Form einer räumlich völlig symmetrischen Kugelwelle aussendet, dürfte sich der Impuls des emittierenden Atoms nicht verändern.

e) Die Compton-Streuung


Im Jahr 1923 zeigt der Amerikaner Arthur Holly Compton (1892 bis 1962), dass die Quanten der Röntgenstrahlung Impuls an Elektronen übertragen können.[8] Gleichzeitig verliert das Photon Impuls und ändert dadurch wiederum messbar seine Wellenlänge. Compton erhielt dafür später den Nobelpreis. Siehe auch Compton-Streuung ↗

f) Der Strahlungsrückstoß


Im selben Jahr als Deutschland den Weg hin zur nationalsozialistischen Diktatur beschritt, veröffentlichte der österreichisch-britische Wissenschaftler Otto Frisch über eine experimentelle Bestätigung des Rückstoßes von Atomen durch Photonen.[9] Später, in den Jahren 1938 und 1939, war Otto Frisch zusammen mit seiner Tante, Lise Meitner, an der Entdeckung der Kernspaltung beteiligt. Später wirkte Frisch als britischer Staatsbürger an der Entwicklung der Atombombe mit.

g) Die optische Pinzette


Im Jahr 1970 wurde erstmals die sogenannte optische Pinzette vorgestellt: mit Hilfe von Laserlicht kann man kleine transparente Objekte in einem eng umgrenzten Raumbereich festhalten.[11]

h) Die Rückstoßtemperatur


Man kann Gase mit Hilfe von Laserstrahlen bis fast an den absoluten Nullpunkt abkühlen. Das Prinzip beruht darauf, dass die Gase durch Absorption und Emission von Photonen Impuls verlieren.[11] Siehe auch Rückstoßtemperatur ↗

i) Photonenantrieb und Lichtsegel in der Raumfahrt


Im Jahr 1956 hatte der Raumfahrtpionier Eugen Sänger vorgeschlagen, den Druck von Gammastrahlung als Antrieb für interstellare Reisen zu nutzen. Während diese Idee noch Vision bleibt, konnte inzwischen aber gezeigt werden, dass Raumfahrzeuge durch Lichtdruck gesteuert werden können. Von 2019 bis 2022 befand sich eine kleiner Satellit mit einem Sonnensegel in einer Erdumlaufbahn. Der Satellit diente nur dazu zu zeigen, dass alleine mit Hilfe des Lichtdrucks eine Änderung der Bewegung errreicht werden konnte. Das dazu aufgespannte Sonnensegel hat eine Fläche von 32 Quadratmetern. Der Versuch war ein Erfolg.[12]

Tipp



Fußnoten