Photon

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Dieser Artikel behandelt das Teilchen. Für weitere Bedeutungen siehe Photon (Begriffsklärung).

Photon

Klassifikation
Elementarteilchen
Boson
Eichboson
Eigenschaften
Ladung neutral
Masse kg
eV/c2
SpinParität 1-
Wechselwirkungen elektromagnetisch

Das Photon (von griechisch φῶς phōs, Genitiv φωτός phōtosLicht‘) ist das Elementarteilchen (Quant) des elektromagnetischen Feldes. Anschaulich gesprochen sind Photonen das, woraus elektromagnetische Strahlung besteht, daher wird gelegentlich auch die Bezeichnung Lichtquant oder Lichtteilchen verwendet. In der Quantenelektrodynamik gehört das Photon als Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zu den Eichbosonen.

Forschungsgeschichte[Bearbeiten]

Seit der Antike gab es verschiedene, einander teilweise widersprechende Vorstellungen von der Natur des Lichts. Bis Ende des 19. Jahrhunderts konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien miteinander (siehe Abschnitt Geschichte im Artikel Licht). Viele Phänomene schienen die Wellennatur des Lichts zu beweisen (z. B. Interferenz- und Polarisationserscheinungen); daneben gab es auch Indizien für einen Teilchencharakter. Ein historisch wichtiges Experiment hierzu war im Jahre 1887 die Beobachtung des Photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs.

Die Entdeckung der Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung ging im Jahr 1900 vom planckschen Strahlungsgesetz aus, das die Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers beschreibt. Um dieses Gesetz theoretisch erklären zu können, musste Max Planck annehmen, dass die Oberfläche des schwarzen Körpers nur diskrete, zur Frequenz proportionale Energiemengen mit dem elektromagnetischen Feld austauschen kann. Planck selbst stellte sich allerdings nur den Energieaustausch quantisiert vor, noch nicht die elektromagnetische Strahlung an sich.

Albert Einstein stellte dann 1905 in seiner Publikation zum photoelektrischen Effekt die Lichtquantenhypothese auf. Ihr zufolge ist Licht ein Strom von „in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen, und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können“[1]. Aufgrund verbreiteter Zweifel an diesen Ansichten wurden diese Arbeiten erst 1920 (Planck) und 1921 (Einstein) mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Vielfach wurde der Teilchencharakter der elektromagnetischen Strahlung aber weiterhin bezweifelt, bis Arthur Holly Compton in den Jahren 1923–25 nachweisen konnte, dass Röntgenstrahlung auf einzelne Elektronen genau so wirkt wie der Beschuss mit einzelnen Teilchen, deren Energie und Impuls gerade denen der Lichtquanten entsprachen. Für diese Entdeckung des Compton-Effekts und seine Interpretation erhielt er 1927 den Nobelpreis.

Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde seit 1925 beginnend mit Arbeiten von Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg entwickelt. Die heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung ist die Quantenelektrodynamik (QED); sie beschreibt auch die Lichtquanten. Sie geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit von Paul Dirac im Jahre 1927 zurück, in der die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom analysiert wird[2]. Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Richard P. Feynman, Julian Schwinger und Shinichirō Tomonaga gewürdigt. In der QED ist das elektromagnetische Feld selbst quantisiert und das Photon seine elementare Anregung.

Albert Einstein schrieb 1951 in einem Brief an seinen Freund Michele Besso:

„Die ganzen 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort der Frage ‚Was sind Lichtquanten‘ nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er täuscht sich…“[3]

Bezeichnung und Symbol[Bearbeiten]

Das Wort Photon leitet sich vom griechischen Wort für Licht, φῶς (phôs), ab. Der Name war durch verschiedene Autoren schon seit 1916 für eine kleine Energiemenge, die einen photochemischen oder photoelektrischen Effekt auslösen kann, eingeführt worden, wurde aber kaum beachtet.[4] Max Planck z. B. sprach in seiner Nobelpreisrede 1920 noch von „Lichtquanten“. Endgültig wurde der Name durch Arthur Compton[4] bekannt gemacht, der sich dabei auf eine Veröffentlichung des Chemikers Gilbert Newton Lewis des Jahres 1926[5] berief. Lewis verwandte den Begriff im Rahmen eines von ihm vorgeschlagenen Modells der Wechselwirkung von Atomen mit Licht. Dieses Modell sah unter anderem fälschlich eine Erhaltung der Photonenzahl vor und wurde allgemein nicht anerkannt.

Für das Photon wird im Allgemeinen das Symbol \ \gamma (gamma) verwendet. In der Hochenergiephysik ist dieses Symbol allerdings reserviert für die hochenergetischen Photonen der Gammastrahlung (Gamma-Quanten), und die in diesem Zweig der Physik ebenfalls relevanten Röntgenphotonen erhalten das Symbol X (von X-Strahlen und Englisch: X-ray).

Sehr oft wird ein Photon auch durch die enthaltene Energie E dargestellt:

  • E_\text{photon} = h \, \nu
mit dem planckschen Wirkungsquantum \, h und der (Licht-)Frequenz \, \nu

bzw.

  • E_\text{photon} = \hbar \, \omega
mit dem reduzierten planckschen Wirkungsquantum \hbar = \frac{h}{2\pi} und der (Licht-)Kreisfrequenz \, \omega = 2 \pi \, \nu.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert. Das bedeutet, die kleinste Menge an elektromagnetischer Strahlung bestimmter Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Ein Photon besitzt keine Masse. Daraus folgt, dass es sich im Vakuum immer mit Lichtgeschwindigkeit c bewegt, sofern es in einem Zustand mit wohldefiniertem Impuls ist, also durch eine einzige ebene Welle darzustellen ist. Sonst bewegt es sich mit der Gruppengeschwindigkeit der beteiligten ebenen Wellen. Ein Photon im Überlagerungszustand von Impulsen mehrerer Richtungen bewegt sich auch im Vakuum langsamer als die Lichtgeschwindigkeit (siehe Bessel-Strahl). In optischen Medien mit einem Brechungsindex n>1 ist die Gruppengeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie um den Faktor n verringert.

Erzeugung und Detektion[Bearbeiten]

Photonen können auf vielerlei Arten erzeugt werden, insbesondere durch Übergänge („Quantensprünge“) von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen (z. B. verschiedenen Atom- oder Molekülorbitalen oder Energiebändern in einem Festkörper). Photonen können auch bei nuklearen Übergängen, Teilchen-Antiteilchen-Vernichtungsreaktionen (Annihilation) oder durch beliebige Fluktuationen in einem elektromagnetischen Feld erzeugt werden.

Zum Nachweis von Photonen können unter anderem Photomultiplier, Photoleiter oder Photodioden verwendet werden. CCDs, Vidicons, PSDs, Quadrantendioden oder Foto-Platten und Filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. Im IR-Bereich werden auch Bolometer eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durch Geigerzähler einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier und Avalanche-Photodioden können auch zur Einzelphotonendetektion im optischen Bereich verwendet werden, wobei Photomultiplier im Allgemeinen die niedrigere Dunkelzählrate besitzen, Avalanche-Photodioden aber noch bei niedrigeren Photonenenergien bis in den IR-Bereich einsetzbar sind.

Masse[Bearbeiten]

Photonen haben keine Masse. Dies manifestiert sich durch die für Photonen gültige Energie-Impuls-Relation

E=p \, c \ ,

die der Spezialfall der allgemeinen Formel E^2=p^2 \, c^2 + m^2\,c^4 ist, wenn für die Masse m=0 gesetzt wird. Ebenso sind die Feldgleichungen des Photonenfelds, d. h. die elektromagnetischen Maxwellgleichungen im Vakuum

 \frac 1 {c^2} \frac{\partial^2 E_i}{\partial t^2}-\sum_{j=1}^{3} \left( \frac{\partial^2 E_i}{\partial x_j^2} \right) = 0 \ (für jede Komponente der elektrischen Feldstärke \vec{E}= (E_1, E_2, E_3) und auch der magnetischen Flussdichte \vec{B})

der Spezialfall der quantentheoretischen Klein-Gordon-Gleichung für solche Felder, deren Quanten die Masse m=0 haben. Die Phasengeschwindigkeit c ist dabei die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Für das Potential, das durch virtuelle Anregung eines Feldes mit nicht verschwindender Masse entsteht, ergäbe sich ein Yukawa-Potential, also ein Coulomb-Potential mit einem exponentiellen Abschwächungsfaktor.

Hätten Photonen eine Masse, so würde diese auch das Verhalten von Magnetfeldern ändern.[6] Solche Abweichungen konnten bislang nicht nachgewiesen werden, woraus sich die momentan (Stand: 2013) bestehende experimentelle Obergrenze von 10^{-18}\,\mathrm{eV} \! / \!c^2 für die Masse eines Photons ergibt.[7]

Spin[Bearbeiten]

Photonen sind Spin-1-Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird.

Während etwa der Elektronenspin parallel oder antiparallel zu einer beliebig vorgegebenen Richtung ist[8], kann der Photonenspin wegen fehlender Masse nur parallel oder antiparallel zur Flugrichtung orientiert sein. Zirkular polarisierte E-M-Wellen haben nach dem Maxwell-Gleichungen immer den Drehimpulsbetrag von ħ pro Photon. Die Helizität der Photonen einer zirkular polarisierten Welle ist daher eine charakteristische Größe. Wird die Rotationsrichtung geändert, zum Beispiel durch eine λ/2-Platte, so wechselt die Helizität das Vorzeichen. Allerdings kann ein einzelnes Photon auch linear polarisiert werden, indem zwei entgegengesetzt zirkular polarisierte Zustände überlagert werden.

Photonen im Vakuum[Bearbeiten]

Photonen mit wohldefiniertem Impuls bewegen sich im Vakuum mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit c = 299\,792\,458 \; \mathrm{m/s}. Die Dispersionsrelation, d. h. die Abhängigkeit der Energie E\, von der Frequenz \nu (ny), ist linear, und die Proportionalitätskonstante ist das Plancksche Wirkungsquantum h,

E = pc = h\nu\,.

Der Impuls p eines Photons beträgt damit

p=\frac{h \nu}{c}=\frac{h}{\lambda}\,.

Photonen, die sich im Zustand der Überlagerung von verschiedenen Impulsen befinden, bewegen sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit, wenn alle beteiligten Impulse parallel sind, sonst langsamer (siehe z. B. Bessel-Strahl).

Zahlenwerte, wie sie in optischen Spektren typischerweise auftreten, können wie folgt ermittelt werden:[9][10]

E = \hbar \omega = (6{,}582\,119\,28 \cdot 10^{-16}\,\rm{eVs}) \cdot \omega ,  E dabei in eV (Elektronenvolt), ω in s−1 (Kreisfrequenz), 1 eV entspricht etwa einem ω von 1,520 · 1015 s−1
E = h \cdot \nu = h \cdot c / \lambda = \left(1{,}239\,841\,930\ \mathrm {eV\mu m}\right) / \lambda ,   E dabei in eV (Elektronenvolt), λ in μm (Wellenlänge), 1 eV entspricht etwa 1,240 μm = 1240 nm

Beispiel: Rotes Licht mit 620 nm Wellenlänge hat eine Photonenenergie von ungefähr 2 eV.

Photonen in optischen Medien[Bearbeiten]

In einem optischen Medium wechselwirken Photonen mit dem Material. Durch Absorption kann ein Photon vernichtet werden. Dabei geht seine Energie in andere Energieformen über, beispielsweise in elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wie Phononen oder Exzitonen. Möglich ist auch, dass das Photon sich durch ein Medium ausbreitet. Dabei wird es durch eine Abfolge von Streuprozessen behindert, in denen Teilchen des Mediums virtuell angeregt werden. Photon und Reaktion des Mediums zusammen kann man durch ein Quasiteilchen, das Polariton, beschreiben. Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation, und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Vakuumlichtgeschwindigkeit. In Experimenten konnte die Geschwindigkeit der Photonen auf wenige Meter pro Sekunde gesenkt werden.

Wechselwirkung von Photonen mit Materie[Bearbeiten]

Photonen, die auf Materie treffen, können je nach Energiebereich unterschiedliche Prozesse auslösen. Im Folgenden sind für verschiedene Prozesse die Energiebereiche angegeben, in denen sie relevant sind:

Diese Effekte tragen maßgeblich dazu bei, dass man diese Strahlung detektieren kann und sich anhand der Gammaspektroskopie bestimmte Stoffe mit bestimmten Effekten nachweisen lassen.

Literatur[Bearbeiten]

  • Chandrasekhar Roychoudhuri, Rajarshi Roy: The nature of light: What is a photon? In: Optics and Photonics News. 14, Nr. 10, 2003, ISSN 1047-6938, Supplement, S. 49–82.
  • Harry Paul: Photonen: Eine Einführung in die Quantenoptik. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 1999, ISBN 3-519-13222-2. (Teubner-Studienbücher Physik)
  • Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. 58(6), 2005, ISSN 0028-1050, S. 311–319.
  • Liang-Cheng Tu, Jun Luo, George T. Gillies: The mass of the photon. In: Reports on Progress in Physics. 68, Nr. 1, 2005, doi:10.1088/0034-4885/68/1/R02, S. 77–130.
  • Richard Feynman: QED. The Strange Theory of Light and Matter. 1985 (dt. QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. 1987, ISBN 3-492-21562-9)

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Photon – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Photon – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Zu Wechselwirkung von Photonen mit Photonen:

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. 322, Nr. 6, 1905, S. 133 (Online, abgerufen am 24. Januar 2012).
  2. Quantum theory of emission and absorption of radiation (pdf, 25 Seiten)
  3. Beleg
  4. a b Helge Kragh: Photon: New light on an old name. Arxiv, 28. Februar 2014
  5. Gilbert N. Lewis: The Conservation of Photons. In: Nature. 118, Nr.2981, 1926, S. 874–875, doi:10.1038/118874a0. Online
  6. What is the mass of a photon? Abgerufen am 10. August 2011.
  7. Particle Data Group, Eigenschaften des Photons PDF
  8. Siehe z. B. pro-physik.de über Spin-Hall-Effekt jetzt auch mit Photonen
  9. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatCODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 16. Juni 2011. Wert für \hbar in der Einheit eVs
  10. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatCODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 15. Juni 2011. Wert für h in der Einheit eVs
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