Photon
Was das besondere am Photon ist und wie dieses fundamentale Teilchen entsteht erfährst du hier und in unserem Video.
Inhaltsübersicht
Photon einfach erklärt
Photonen (
) sind Elementarteilchen. Sie sind masselos und bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit. Nach bisherigem Wissensstand bietet die Quantenmechanik für Photonen das beste Erklärungsmodell. Das ist wahr für alle Elementarteilchen. Daher zeigt sich bei diesen ein Wellen-Teilchen-Dualismus. Das heißt sie haben Eigenschaften von Wellen und von Teilchen.
Im Video zu Elementarteilchen erfährst du alles wichtige zum Teilchenzoo. Darin werden dir auch die wichtigen fundamentalen Kräfte erklärt.
Was sind Photonen?
Licht ist der Bereich des elektromagnetischen Spektrums den du mit deinem bloßen Auge wahrnehmen kannst. Gelegentlich werden mit Licht auch elektromagnetische Wellen mit größeren Wellenlängen, wie Infrarotes Licht, oder kürzeren Wellenlängen, wie Ultraviolettes Licht, beschrieben. Dieses Licht wird in der Quantenphysik als ein Strom von Quantenobjekten beschrieben. Diese Quantenobjekte sind die Photonen.
Photonen () sind die Trägerteilchen der Elektromagnetischen Wechselwirkung. Damit repräsentieren sie Licht, aber auch alle anderen elektromagnetischen Wellen
und tragen die elektromagnetische Kraft. Durch die Quantenelektrodynamik wird das Photon als sogenanntes Boson beschrieben, ein Elementarteilchen, dessen Eigenschaften es deutlich von denen eines Elektrons oder ähnlicher Teilchen abgrenzen. In den meisten Fällen sind Bosonen immer auch Trägerteilchen für eine Kraft wie die elektromagnetische-, starke- und schwache Kraft.
Die Quantenelektrodynamik ist ein Gebiet der Quantenmechanik, welches die klassische Elektrodynamik an die moderne Quantenmechanik anpasst. Eine seiner wichtigsten Eigenschaften ist das Fehlen von Masse. Zudem sind dessen Energie wie auch Impuls proportional zu seiner Frequenz.
Photon Eigenschaften
Photonen sind masselose, elektrisch neutrale und stabile Elementarteilchen. Es ist das Trägerteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung und unterliegt nicht dem Pauli–Prinzip .
| elektrische Ladung | 0, neutral |
| Masse | 0 kg |
| Spin | 1 |
| Wechselwirkungen | elektromagnetisch Gravitation |
Photon Masse
Nach dem bisherigen Wissenstand muss ein Photon masselos sein. Hätte es Masse , dann würden sich Photonen nicht mit der Lichtgeschwindigkeit
(
) bewegen. Das hätte zur Folge, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht mehr die Geschwindigkeit von Licht sondern ein theoretischer Grenzwert der Geschwindigkeit wäre, welche ein Objekt in der Raumzeit erreichen könnte. Zudem wäre die Geschwindigkeit des Photons abhängig von dessen Frequenz und viele Naturgesetze, wie das Coulomb Gesetz
, erhielten zusätzliche Faktoren. Viele moderne Geräte würden dann anders oder gar nicht funktionieren.
Experimentell ist nachgewiesen, dass das Photon masselos ist.
Photon Energie
Photonen bewegen sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit . Daher brauchst du die Relativitätstheorie, um dessen Energie zu bestimmen. Diese erhältst du über den relativistischen Zusammenhang zwischen Masse, Energie und Impuls.
In dieser Formel steht 
für die Energie, 
für den Impuls, 
für die Masse und für die Lichtgeschwindigkeit. Setzt du 
ein, erhältst du für die Energie eine Proportionalität zwischen Impuls und Energie 
.
Da das Photon ein Quant ist, drückst du dessen Geschwindigkeit und damit den Impuls über dessen Frequenz beziehungsweise Wellenlänge aus. Damit erhältst du einen Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Energie.
In dieser Formel steht 
für die Frequenz des Photons, 
ist dessen Kreisfrequenz, 
das Plancksche Wirkungsquantum
, 
ist das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum und 
die Wellenlänge des Photons.
, so erhältst du
die Wellenzahl. 
Photon Entstehung
Photonen werden auf viele Arten erzeugt. Am häufigsten beobachtest du die Erzeugung von Photonen bei den Übergängen von Elektronen auf andere Energiezustände. Das geschieht, wenn zum Beispiel ein Elektron in der Elektronenschale eines Atoms auf ein höheres Niveau angeregt wird. Dieses Niveau ist instabil und das Elektron springt nach kurzer Zeit wieder zurück in seinen ursprünglichen Zustand. Das höhere Niveau hatte aber mehr Energie als das ursprüngliche. Dieser Überschuss an Energie wird in Form eines Photons abgegeben. Aber auch bei nuklearen Übergängen können Photonen in Form von Gammastrahlung emittiert werden oder bei Teilchen-Antiteilchen Vernichtungsreaktionen. Mit dem richtigen Messwerkzeug stellst das Vorhandensein solcher Photonen fest.
Die Gammastrahlung ist ein weiterer Fall der Photonen Erzeugung. Schau dazu auf jeden Fall noch das Video an.
Verschränkte Photonen
Photonen können bezüglich ihrer Polarisation oder ihrer Flugrichtung verschränkt sein. Die Polarisation gibt dir Auskunft über die Schwingungsrichtung der elektromagnetischen Welle. Das heißt, misst man die Polarisation eines dieser Teilchen, so kennt man die Polarisation des anderen.
Bei der Venichtungsstrahlung, also der Strahlung die entsteht wenn Antiteilchen und Teilchen aufeinander treffen, entstehen verschränkte Photonen. Diese beiden Photonen sind in ihrer Richtung als auch Polarisation verschränkt. In der Medizin wird diese Eigenschaft bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ausgenutzt.
Photon Anwendung
Photonen finden in vielen Gebieten Anwendung. Eine der am weitesten verbreiteten und auch wichtigsten Anwendungen ist hierbei der Laser.
Schau dir zum Laser auf jeden Fall das Video an. Darin lernst du wie die Photonen erzeugt und angewandt werden.
Einzelne Photonen können durch verschiedene Methoden festgestellt werden. Eine der ältesten Methoden ist die Nutzung eines Photovervielfachers. Dieser nutzt den Photoelektrischen Effekt aus. Ein Photon mit ausreichend Energie trifft auf eine Metallplatte. Dort schlägt es ein Elektron aus seiner Bindung, das durch nachfolgende Aufbauten, einen Kaskadeneffekt auslöst.
