Photon

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
(Weitergeleitet von Photonen)
Wechseln zu: Navigation, Suche
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 Anfang des 19. Jahrhunderts konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien miteinander (siehe Abschnitt Geschichte im Artikel Licht). Dann schien die Wellennatur des Lichts durch viele Phänomene (z. B. Interferenz- und Polarisationserscheinungen) bewiesen und durch die 1867 aufgestellten Maxwellschen Gleichungen als elektromagnetische Welle verstanden. 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 1919[2] (Planck) und 1922[3] (Einstein) mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Vielfach wurde der Teilchencharakter der elektromagnetischen Strahlung aber weiterhin bezweifelt, bis Arthur Holly Compton in den Jahren 1923–1925 nachweisen konnte, dass Röntgenstrahlung auf einzelne Elektronen genau so wirkt wie der Beschuss mit einzelnen Teilchen, deren Energien und Impulse gerade denen von hochenergetischen Lichtquanten entsprachen. Für diese Entdeckung und Interpretation des Compton-Effekts 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.[4] 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…“  zitiert nach[5]

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.[6] Max Planck z. B. sprach in seiner Nobelpreisrede 1920 noch von „Lichtquanten“. Endgültig wurde der Name durch Arthur Compton bekannt gemacht,[6] der sich dabei auf eine Veröffentlichung des Chemikers Gilbert Newton Lewis im Jahre 1926[7] 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 häufig 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]

Das Photon ist ein Elementarteilchen mit der Masse m=0. Diese Tatsache ist durch Messungen sehr gut abgesichert und liegt den Formeln zugrunde, mit denen Photonen in der theoretischen Physik behandelt werden. Hiervon ist zu unterscheiden, dass jedem Photon aufgrund seiner Energie E eine Größe E/c^2 zugeordnet werden kann, die die Dimension einer Masse besitzt und sich in vielen physikalischen Systemen auch wie ein Beitrag zur Gesamtmasse des Systems auswirkt. Um Missverständnissen vorzubeugen sei daran erinnert, dass Masse im modernen Sprachgebrauch der Physik ausschließlich das bezeichnet, was in Abgrenzung zur nicht mehr verwendeten „relativistischen Masse“ auch Ruhemasse genannt wurde.

Theoretische Formulierung[Bearbeiten]

Nach der Speziellen Relativitätstheorie gilt für ein physikalisches System mit der Masse m, das sich mit der Geschwindigkeit \vec v und dem Impuls \vec p bewegt, die Energie-Impuls-Relation

E^2=p^2 \, c^2 + m^2\,c^4

und

v = \sqrt{1-\left( \tfrac{mc^2}{E}\right) ^2}\cdot c \ .

Dabei ist E die Energie des Systems, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. v und p sind die Beträge der beiden entsprechenden Vektoren.

Durch Einsetzen von m=0 ergibt sich die Energie-Impuls-Relation der Photonen zu

E=p \, c \

und die Geschwindigkeit der Photonen zu

v =  c \ .

Diese Gleichungen sind für jedes Photon erfüllt, das einen Eigenzustand zu Impuls und Energie mit den Eigenwerten \vec p bzw. E einnimmt.

Ebenso ergeben sich 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})

als Spezialfall der quantentheoretischen Klein-Gordon-Gleichung für solche Felder, deren Quanten die Masse m=0 haben. Ebene elektromagnetische Wellen haben daher im Vakuum sowohl die Phasengeschwindigkeit als auch die Gruppengeschwindigkeit c. Statische elektrische und magnetische Felder entstehen nach der Quantenelektrodynamik durch virtuelle Anregung des Photonenfelds.

Experimentelle Befunde[Bearbeiten]

Wenn die Masse des Photons größer als null wäre, dann würde sie sich durch verschiedene Folgen bemerkbar machen. Keine von ihnen ist bisher beobachtet worden. Die Genauigkeit der Experimente erlaubt die Aussage, dass eine eventuelle Photonenmasse in jedem Fall unter 10^{-18}\,\mathrm{eV} \! / \!c^2 liegen muss, das ist der 10^{27}ste Teil der Masse des Wasserstoffatoms.

Falls die Photonen eine Masse größer als null hätten,

  • wäre wegen der Energie-Impuls-Relation die Geschwindigkeit v der Photonen kleiner als c und hinge von ihrer Energie ab. Da die Energie E = \tfrac{\hbar c}{\lambda} durch das Plancksche Wirkungsquantum  \hbar und die Wellenlänge \lambda der elektromagnetischen Welle bestimmt ist, wären somit Photonen einer kurzwelligen Strahlung schneller als die einer langwelligen. Eine solche anomale Dispersion gibt es zwar häufig, sie wird aber vollkommen dadurch erklärt, dass die Photonen je nach Energie verschieden stark mit den Teilchen des durchstrahlten Mediums wechselwirken. Die genauesten Messungen der Dispersion erfolgten an extrem langwelliger Strahlung in der Erdatmosphäre und brachten das Ergebnis, dass eine eventuelle Photonenmasse nicht größer als 3\cdot 10^{-13}\,\mathrm{eV\!/c^2} sein kann.[8]
  • würde sich für das elektrostatische Feld einer Punktladung statt des Coulomb-Potentials ein Yukawa-Potential ergeben, also ein zusätzlicher exponentieller Abschwächungsfaktor. Dass dies in Laborexperimenten nicht beobachtet wurde, lässt darauf schließen, dass eine eventuelle Masse des Photons nicht größer sein kann als 1,5\cdot 10^{-9}\,\mathrm{eV\!/c^2}[8][9]
  • würden sich für das Magnetfeld eines rotierenden Dipols Änderungen ergeben, die sich im Fall der Sonne am Sonnenwind bis zum Abstand des Pluto auswirken würden.[8][10] Solche Abweichungen konnten bislang nicht nachgewiesen werden, woraus sich die momentan (Stand: 2014) niedrigste experimentelle Obergrenze von 10^{-18}\,\mathrm{eV} \! / \!c^2 für eine eventuelle Photonenmasse ergibt.[9]

Schwerefeld[Bearbeiten]

Photonen folgen wie kräftefreie Massen der Schwerebeschleunigung (in klassischer Betrachtungsweise) bzw. einer Geodäte der Raumzeit (in der relativistischen Beschreibung der Gravitation). Photonen gehören auch zu den Quellen der Gravitation, indem sie mit ihrer Energie die Krümmung der Raumzeit beeinflussen (siehe Energie-Impuls-Tensor in der allgemeinen Relativitätstheorie).

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,[11] 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:[12][13]

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:

Literatur[Bearbeiten]

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. 1918 wurde kein Physik-Nobelpreis vergeben. Ende 1919 erhielten Johannes Stark den Physik-Nobelpreis 1919 und Max Plank den Physik-Nobelpreis 1918.
  3. Der Physik-Nobelpreis 1921 wurde erst 1922 Albert Einstein zugesprochen, wobei die Lichtquantenhypothese noch aus der Begründung ausgespart blieb. Zugleich erhielt Niels Bohr den Physik-Nobelpreis für 1922.
  4. Paul Dirac: The Quantum Theory of Emission and Absorption of Radiation. In: Proc. Roy. Soc. A114, 1927. (online)
  5. Harry Paul: Photonen: Experimente und ihre Deutung. Akademie-Verlag, Berlin 1985, ISBN 3-528-06868-X, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
  6. a b Helge Kragh: Photon: New light on an old name. arXiv, 28. Februar 2014.
  7. Gilbert N. Lewis: The Conservation of Photons. In: Nature. 118, 1926, S. 874–875. doi:10.1038/118874a0 (online).
  8. a b c  Alfred Scharff Goldhaber, Martin Nieto: Photon and graviton mass limits. In: Rev. Mod. Phys.. 82, 2010, S. 939, doi:10.1103/RevModPhys.82.939.
  9. a b Particle Data Group abgerufen 18. Mai 2015
  10. What is the mass of a photon? Abgerufen am 10. August 2011.
  11. Siehe z. B. pro-physik.de über Spin-Hall-Effekt jetzt auch mit Photonen
  12. 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
  13. 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
  14. SLAC Experiment 144 Home Page
  15. Zeit-Artikel zum SLAC Experiment