Kleine Energiepakete

Photonen haben keine Masse, d.h. sie bestehen aus reiner Energie und Impuls (und Information). Weil sie masselos sind können sie sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Für Körper mit Masse ist das Erreichen der Lichtgeschwindigkeit gemäss Einsteins spezieller Relativitätstheorie nur mit unendlich viel Energie möglich, womit es ausgeschlossen ist. Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit

\[ c_0 = 2.998 \cdot 10^8 \; \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \]

Photonen werden oft auch Lichtteilchen genannt. Das ist nicht ganz korrekt, weil die Photonen die Teilchen sind für alle elektromagnetischen Wellen, nicht nur für das sichtbare Licht. Die anderen elektromagnetischen Strahlungsarten (Radiowellen, Infrarot-, UV-, Röntgen- und Gammastrahlen) bestehen auch aus Photonen, d.h. Lichtteilchen sind Photonen, aber nicht alle Photonen sind Lichtteilchen.

Die Energiemenge, die ein Photon beinhaltet, ist nicht immer gleich. Es gibt Photonen mit wenig Energie, die dann elektromagnetischen Wellen mit grossen Wellenlängen entsprechen (z.B. Radiowellen). Die kurzwelligen elektromagnetischen Wellen, wie Röntgen- oder Gammastrahlen, bestehen aus Photonen mit viel Energie. Deshalb haben diese Photonen eine grössere “Zerstörungskraft”, wenn sie mit Materie zusammentreffen. Sie können mehr bewirken, wie z.B. das Verändern von Molekülen. Wenn es sich dann um Moleküle in unserem Erbgut (DNA) handelt, können daraus schwerwiegende Erbschäden entstehen oder Krebs kann ausgelöst werden.

Die Menge an Photonen in einem Strahl bestimmt letztlich auch die Menge an Energie, die der Strahl mit sich führt. Hier meint man die “Dichte” der Energie, d.h. wie viel Energie pro Fläche auf die Materie auftrifft. Diese Energiedichte wird Intensität genannt.

Beachte hier, dass z.B. ein Lichtstrahl zwar aufkonzentriert und stark gemacht werden kann (z.B. starker Laserstrahl), dass er aber nie die gleichen Eigenschaften haben wird, wie ein Röntgenstrahl. Von der Energie her, kann es sein, dass beide Strahlen gleich viel Energie pro Fläche (Intensität) bringen. Die grosse Anzahl an “schwachen” Photonen können aber den Molekülen nichts anhaben. Ein einzelnes “starkes” Photon hingegen schon. Deshalb wird ein starker Laserstrahl das Material nur erhitzen. Der Röntgenstrahl wird es verändern.

Photonen (Symbol $\gamma$) sind Energiepakete mit Energie $E$ und Impuls $p$, abhängig von der Frequenz $f$ bzw. Wellenlänge $\lambda$, der entsprechenden elektromagnetischen Welle

\[ E = h \cdot f = \frac{hc}{\lambda} \]

\[ p = \frac{E}{c} \]

Dabei ist $h$ das Planck’sche Wirkungsquantum:

\[ h = 6.626 \cdot 10^{-34} \; \mathrm{Js} \]

Emission und Absorption von Photonen

Elektrische Phänomene können Photonen erzeugen oder Photonen können z.B. durch elektrische Ladungen absorbiert werden. Am ehesten können wir uns das mit der Funktechnik vorstellen. Elektrische Apparaturen können mit Hilfe von Sendern Radiowellen erzeugen, also Photonen aussenden. Genauso können Radioantennen diese Signale (Photonen) aufnehmen und wieder in elektrische Signale, d.h. elektrische Ströme umwandeln. Beim Licht geht das genau gleich, nur dass die Wellen eine andere Wellenlänge bzw. Frequenz haben.

In der Chemie gehen Elektronen von einem energetisch höheren Zustand in einen energetisch tieferen Zustand über. Es wird eine exakt definierte Menge an Energie frei, die in Form eines Photons das entsprechende Atom oder Molekül verlässt. Wenn wir eine solche Reaktion beobachten, werden wir eine charakteristische Farbe sehen, die exakt der Wellenlänge bzw. dieser Menge an Energie entspricht.

Den umgekehrten Fall gibt es auch: Bestimmte Stoffe erscheinen uns in einer Farbe, die dadurch entsteht, dass eine bestimmte Farbe vom Stoff absorbiert worden ist. Wir können feststellen, dass die Photonen einer bestimmten Wellenlänge fehlen. Diese Wellenlänge verrät uns die Energie der fehlenden Photonen und damit auch den chemischen Stoff, der dafür verantwortlich ist. Auf diese Weise können wir beispielsweise feststellen, welche chemischen Stoffe in der Atmosphäre der Sonne sich befinden, da sie einen Teil des Sonnenlichts absorbieren.

Quantenmechanische Teilchen mit Wellennatur

Photonen sind quantenmechanischeTeilchen und verhalten sich deshalb wie Wellen (Welle-Teilchen-Dualismus). Was heisst das? Wir können mit Experimenten beweisen, dass Photonen sich wie Teilchen verhalten. Gleichzeitig gibt es aber auch Experimente die beweisen, dass Photonen eindeutige Welleneigenschaften haben, die Teilchen nicht haben. Was zuerst wie ein Widerspruch aussieht, ist in der Quantenmechanik ganz normal.

Wenn wir ein Photon losschicken, dann breitet es sich im Raum aus wie eine Welle. Wir können sogar sagen, dass es überall hinkommt, wo die Welle hinkommen würde. Hier müssen wir uns von der Vorstellung eines Teilchens, das wie eine Gewehrkugel auf einer geraden Linie fliegt, lösen. Es ist jetzt eine Welle und bewegt sich nicht auf einer Linie, sondern füllt den ganzen Raum aus. Beim Teilchen können wir sagen, wo es sich befindet und mit welcher Geschwindigkeit (Richtung und Betrag) es sich bewegt. Bei Wellen geht das nicht. Wo ist die Welle? Praktische überall. In welche Richtung bewegt sie sich? Das ist überall ein bisschen anders.

Wenn wir nun eine Wand aufstellen mit z.B. zwei Spalten, dann wir die Wellenfront auf die Wand auftreffen, an ihr reflektieren und ein Teil der Welle wird durch die beiden Spalten gleichzeitig passieren. Hinter der Wand entstehen wieder Welleneffekte, die wir z.B. mit Wasserwellen uns vorstellen können.

Wenn wir nun das Photon sehen möchen, mit dem Auge oder einem Sensor, dann kommt die Quantenmechanik mit einer weiteren Überraschung auf: Das Photon wird aus der Welle wieder zu einem Teilchen, das einen ganz bestimmten Ort einnimmt. Wie ist es dorthin gekommen? Wie gesagt, als Welle, indem es den ganzen Raum ausgefüllt hat und gleichzeitig durch beide Spalten passiert ist. Dieses Doppelspaltexperiment funktioniert auch mit anderen quantenmechanischen Teilchen, z.B. Elektronen. Auch sie können als Welle durch beide Spalten gleichzeitig treten.

Den guten alten Lichtstrahl müssen wir deshalb als Modell verstehen. Es gibt den Lichtstrahl in dem Sinne gar nicht. Das Modell des Lichtstrahls erlaubt es uns aber, zuverlässig vorauszusagen, wo die Photonen landen werden, die wir z.B. mit unserem Laser losgeschickt haben.