Photonen

Kleine Energiepakete ohne Masse

Photonen werden oft als Lichtteilchen bezeichnet. Da das Licht nur einen kleinen Teil des ganzen Spektrums der elektromagnetischen Wellen ausmacht, sind nur gerade diejenigen Photonen auch Lichtteilchen, wenn sie die dazu passende Wellenlänge haben.

Es ist deshalb nicht ganz korrekt, Photonen als Lichtteilchen zu bezeichnen, 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.

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

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

Energie und Impuls von Photonen

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). Kurzwellige elektromagnetische Wellen, wie Röntgen- oder Gammastrahlen, bestehen aus Photonen mit viel Energie.

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

Mit dem Planck’schen Wirkungsquantum \( h = 6.626 \cdot 10^{-34} \; \mathrm{Js} \)

Photonen mit viel Energie bzw. elektromagnetische Wellen mit hohen Frequenzen \(f\) oder kurzen Wellenlängen \(\lambda\) haben eine grössere “Zerstörungskraft”, wenn sie mit etwas zusammentreffen. Sie können mehr bewirken, wie z.B. Moleküle verändern. Wenn es sich um Moleküle in unserem Erbgut (DNA) handelt, können daraus schwerwiegende Erbschäden entstehen oder Krebs kann ausgelöst werden.

Obwohl die Photonen keine Masse haben, so haben sie trotzdem einen Impuls, nämlich:

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

Intensität eines elektromagnetischen Strahls

Die Menge an Energie, die der Strahl mit sich führt, d.h. wie viel Energie pro Fläche auf z.B. Materie auftrifft, wird Intensität genannt.

Jetzt könnte ein elektromagnetischer Strahl sehr viel Energie beinhalten, weil er…

• sehr viele Photonen beinhaltet, oder
• wenige, aber sehr energiereiche Photonen beinhaltet

Es gibt deshalb zwei Aspekte:

• Wie viel Energie/Impuls haben die einzelnen Photonen?
• Wie viele Photonen kommen pro Fläche und Zeit (Lichtintensität)?

Beachte hier, dass z.B. ein Lichtstrahl eine hohe Intensität haben kann, ohne dass die sehr zahlreichen Photonen selber in der Lage sind, Schäden an einem Molekül zu verursachen. Hingegen können wenige Photonen sehr viel Schaden verursachen, wenn sie einzeln sehr viel Energie/Impuls beinhalten (Photoelektrischer Effekt).

Teilchen mit Wellennatur

Photonen sind quantenmechanische Teilchen, die eine Wellennatur haben. Wir können deshalb von den Teilchen (Photonen) reden oder von den elektromagnetischen Wellen und meinen damit dasselbe.

Es wurde mit Experimenten bewiesen, dass Photonen sich wie Teilchen verhalten. Gleichzeitig gibt es aber auch Experimente, die bewiesen haben, dass elektromagnetische Wellen keine Teilchen, sondern Wellen sind. Was zuerst wie ein Widerspruch aussieht, ist der in Quantenmechanik bekannte Welle-Teilchen-Dualismus.

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 lösen, das wie eine Gewehrkugel auf einer geraden Linie fliegt. Es ist jetzt eine Welle und sie füllt den ganzen Raum aus.

Beim Teilchen können wir sagen, wo es sich befindet und mit welcher Geschwindigkeit (Richtung und Betrag) es sich bewegt. Ein Teilchen kann (wie beim Billiard) ein anderes Teilchen anstossen. Es kann experimentell gezeigt werden, dass gewisse Photonen in der Lage sind, Elektronen aus dem Metall herauszuschlagen.

Bei Wellen geht das nicht, weil sich Wellen ganz anders im Raum ausbreiten. Wo ist die Welle? Praktisch überall. In welche Richtung bewegt sie sich? Das ist überall ein bisschen anders.

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

Wenn wir nun das Photon sehen möchten, 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 übrigens 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 ein idealisiertes Modell verstehen. Es gibt den Lichtstrahl eigentlich 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.

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.