Photon

Dat Photon (vun’t gr.: φως phos „Licht“) is en Elementardeelken ut dat Standardmodell vun de Elementardeelkenphysik, wat in dat Deelrebeet Quantenelektrodynamik studeert warrt.

De Begreep Photon weer in’t Johr 1926 vun den US-amerikaanschen Chemiker Gilbert Newton Lewis prägt, de dat Woort för de elementar Anregen (Quant) vun dat quantiseerte elektromagneetsche Feld bruken de, d. h. för de lüttste mögliche Ünnerdelen vun elektromagneetsch Energie. Een kann sik dat vörstellen as de „Bostenen“ vun de elektromagneetsche Strahlen, jüst so as „Lichtdeelken“. Blots, dat een dorbi nich vergeten dröff, dat all bewegte Elementardeelken ok de Egenschoppen vun Bülgen hebbt. Dat gellt ok för dat Photon. Man snackt hier vun den Bülgen-Deelken-Dualismus.

Teken

In’t Allgemeen warrt för dat Photon de greeksch Bookstaav γ (Gamma) bruukt, man in de Hoochenergiephysik is dit Teken al besett för de hoochenergeetschen Photonen vun de Gammastrahlen (Gamma-Quanten). De Röntgenphotonen, de ok in dit Energierebeet liggen doot, warrt denn mit X betekent. In’t engelsche seggt man ok X-Ray för disse Oort vun Strahlen.

Bannig faken warrt en Photon ok dör de Energie dorstellt, de dor binnen is, as $h\,\nu$ oder $\hbar \omega$. $\,h$ stellt dorbi dat Plancksche Wirkungsquantum dor un $\,\nu$ de Frequenz vun dat Licht. Bi de tweeten Schrievoort staht $\hbar =h/(2\pi )$ un $\,\omega =2\pi \nu$ för de Kreisfrequenz.

Egenschoppen

All elektromagneetsch Strahlen is in Photonen quantiseert, wat dat nu Radiobülgen, Licht oder ok Gammastrahlen is. Dat bedüüt, dat de lüttste Mengde vun elektromagneetsch Strahlen, egal wat vun Frequenz, opletzt en Photon is. Photonen hebbt en natürlich Levensduer ahn End, man, se künnt en en grote Tall vun physikaalsch Vörgäng tonicht maakt oder nee tüügt warrn. De böverste Massegrenz, de in Experimenten bestimmt un allgemeen acht worrn is, liggt bi ruchweg 10⁻⁴⁷ kg. En free Photon steiht nienich still, man bewegt sik jümmer mit Lichtsnelligkeit. Dat bedüüt togliek, dat dat Photon keen Rohmasse hebben kann. In optische Medien warrt de Lichtsnelligkeit in’n Vergliek to de Vakuumlichtsnelligkeit lütter vun wegen de Wesselwirken vun de Photonen mit de ümgeven Mateer. Photonen wesselwirkt na de Allgemenen Relativitätstheorie mit de Gravitatschoon, wieldat se Energie bargt.

Tügen un Nawiesen

Photonen laat sik op verscheden Oort un Wies tügen, sünners aver dör Övergäng („Quantensprüng“) vun Elektronen twüschen ünnerscheedliche Tostännen (to’n Bispeel verscheden Atom- oder Molekülorbitalen oder Energiebänner in en Fastkörper). Ok bi Övergäng in’n Atomkarn, Reakschonen bi de Deelken un Antideelken maakt warrt (Annihilatschoon) oder dör jichtenseen Fluktuatschoon in en elektromagneetsch Feld künnt Photonen tostannen kamen.

To’n Nawiesen vun Photonenströöm künnt ü.a. Fotomultiplikaters, Fotoleiders oder Fotodioden bruukt warrn. CCDs, Vidicons, PSDs, Qudrantendioden oder Foto-Platten un -filmen warrt för de oortsoplösende Detekschoon vun Photonen insett. In’t Rebeet vun Infrarootstrahlen warrt ok Bolometers insett. In’t Gammastrahlen-Rebeet is vör allen de Geigerteller to’n Nawies begäng. Fotomultiplikaters un Avalanche-Fotodioden künnt ok to’n Enkeltphotonennawies in’t optische Rebeet bruukt warrn. Fotomultiplikaters hebbt dorbi allgemeen de sietere Düstertellverhollen, man Avalanche-Fotodioden künnt ok noch bi sietere Photonenenergien bit in’t IR-Rebeet insett warrn.

Masse

De Rohmasse vun en Photon warrt mit Null annahmen. To’n een gifft sik dat ut de Oort vun elektronmagneetsch Potential un to’n annern ut de Lichtsnelligkeit, mit de Photonen in’t Vakuum ünnerwegens sünd.

• Wenn Photonen en Masse harrn, denn weer dat elektrische Potential keen Coulomb-Potential, man en Yukawa-Potential. Dat heet, dat Potential vun en elektrisch Ladung weer mit en tosätzlich exponentiellen Term afdämpt. Butendem de en Photonenmasse dat Verhollen vun Magnetfeller ännern. In Experimenten künnen Afwieken as beschreven nich nawiest warrn, worut de opstunns gellenden Bövergrenzen för de Photonenmasse afleddt worrn sünd.

• Na de spezielle Relativitätstheorie is nich verlööft, dat en Deelken, dat en Rohmasse m₀ grötter as Null hett, an de Lichtsnelligkeit crankummt. Butendem gifft se ok de direkten mathemaatschen Nawies, dat sik Deelken ahn en Masse mit Lichtsnelligkeit bewegen doot. De relativistische Gesamtenergie (Hamiltonfunkschoon) vun en Deelken is:

$H={\sqrt {(m_{0}c^{2})^{2}+(pc)^{2}}}$

In’n Hamilton-Formalismus is de Snelligkeit de Afleiden vun de Hamiltonfunkschoon na den generaliseerten Impuls.

$v={\frac {\mathrm {d} E}{\mathrm {d} p}}={\frac {pc^{2}}{\sqrt {(m_{0}c^{2})^{2}+(pc)^{2}}}}=c$,

wobie hier för Photonen v=c sett worrn is. Disse Glieken gellt aver blots denn, wenn $m_{0}=0$ is.

Man, en Photon kann en relativistisch Masse toordent warrn, wieldat för de Energie vun en Photon jümmer

$\,E=h\nu$

gellt. Över de Betehn vun de Energie to de Masse m = E/c² folgt

$m={\frac {h\nu }{c^{2}}}\,.$

Disse Masse warrt as Möglichkeit interpreteert, massive Deelken to tügen. En Photon mit tohörig Mindstenergie kann t. B. bi Wesselwirken mit en Atomkarn över Poortügen en Poor vun Deelken un Antideelken tügen.

Spin

Bi’t Photon kann de Spin vun wegen de fehlende Rohmasse blots parallel oder antiparallel to de Flaagricht orienteert wesen, wiel de Spin vun Elektronen jümmer parallel oder antiparallel to jichtenseen vörgeven Richt is.

Photonen sünd Spin-1-Deelken, also Bosonen. Dormit künnt so veel Photonen as wüllt den sülven quantenmechaanschen Tostand besetten, as dat to’n Bispeel in en Laser ümsett warrt. Photonen vermiddelt de elektromagneetsch Wesselwirken. Dat heet, dat sünd de Deelken, de annere Deelken verlööft, miteneen elektromagneetsch wesseltowirken. Wieldat de elektromagneetsch Wesselwirken en so nöömte Liektheorie is, tellt de Photonen to de Liekbosonen.

Photonen in’t Vakuum

In’t Vakuum bewegt sik Photonen mit de Vakuumlichtsnelligkeit $c$ = 299792458 ms⁻¹. De Disperschoonsrelatschoon, also de Afhangigkeit vun de Energie $E\,$ vun de Frequenz $\nu$ (Ny), is linear, un de Proportschonalitätskonstant is dat Plancksche Wirkungsquantum $h$,

$E=pc=h\nu \,.$

Tallen, as se tyypscherwies in optische Spektren opduken doot, künnt as folgt utrekent warrn:

$E=\hbar \omega =(6{,}582\,119\,15\cdot 10^{-16}\ \mathrm {eV\cdot s} )\cdot \omega$ ,   E dorbi in eV (Elektronenvolt), w in s⁻¹, 1 eV is ruchweg ω = 1,520 · 10¹⁵ s⁻¹

$E=h\cdot \nu =h\cdot c/\lambda =\left(1{,}239\,841\,939\ \mathrm {e} V\mu m\right)/\lambda$ ,   E dorbi in eV (Elektronenvolt), λ in μm, 1 eV is ruchweg 1,240 μm = 1240 nm

De Impuls $p$ vun en Photon is dormit

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

Photonen in’n Medium

In en Material wesselwirkt de Photonen mit jemehrn Ümkrink, worut sik verännerte Egenschoppen geevt. Dat Photon kann absorbeert warrn, wobi sien Energie aver natürlich nich verswinnen deit, man se geiht över in elementar Anregen (Quasideelken) vun’t Medium as Phononen oder Exzitonen. Möglich is ok, dat sik dat Photon dör dat Medium utbreden deit, to’n Bispeel as koppelt Phonon-Photon-Poor (Polariton). Disse elementaren Anregen hebbt normalerwies keen lineare Disperschoonsrelatschoon, un jemehr Utbredensnelligkeit is sieter as de Vakuumssnelligkeit bit rünner to blots wenige Meter in de Sekunn för sünnere Materialen.

Wesselwirken vun Photonen mit Materie

Photonen, de op Materie drapen doot, löst bi sünnere Energien verscheden Vörgäng ut. Nafolgend staht verscheden Vörgäng mit de Energierebeden, för de se relevant sünd:

• ünner 1 eV blots Entwcikeln vun Warms (Warmsstrahlen), keen Ionisatschoon
• 1 eV bit 100 keV Fotoeffekt,
• 50 keV bit 1 MeV Compton-Effekt,
• 1,022 bit 6 MeV Poorbilln,
• 2,18 bit 16 MeV Karnfotoeffekt.
• högere Energien: Fotodesintegratschoon

Disse Effekten drägt dorto bi, dat de Strahlen överhööft detekteeren sünd un sik sünnere Stoffen mit sünnere Effekten dör de Gammaspektroskopie nawiesen laat.

Historie vun’t Utforschen

Vun de Antike an geev dat ünnerscheedliche Vörstellen över de Natur vun’t Licht, de sik deelwies wedderspreken deen. In’t 19. Johrhunnert stünnen Bülgen- un Deelkentheorien in Konkurrenz. Wiel vele Phänomenen as Interferenz- oder Polarisatschoonsvörgäng för de Bülgennatur vun’t Licht snackt hebbt, geev dat togliek ok Henwiesen op den Deelkencharakter. En histoorsch teemlich wichtig Experiment as Henwies op de deelkennatur vun’t Licht weer invt Johr 1887 de Beoachten vun’n fotoelektrischen Effekt dör Heinrich Hertz un Wilhelm Hallwachs.

De Quantiseeren vun de elektromagneetschen Strahlen geiht opletzt torüch op de Verkloren vun de Swatrkörperstrahlen dör Max Planck in’t Johr 1900 (Plancksch Strahlengesett). Planck sülvst hett sik aver nich de elektromagneetsche Strahlen an sik as quantiseert vörstellt, man he verkloor de Quantiseeren dormit, dat de Oszillaters in de Wannen vun de Swartkörperresonaters blots diskrete Energiemengden mit dat elektromagneetsch Feld uttuschen künnen.

Albert Einstein beschreev 1905 in sien Publikatschoon to’n fotoelektrischen Effekt dat Licht as tohopensett ut Lichtquanten mit Partikelegenschoppen. För disse Arbeit is he 1921 mit den Nobelpries för Physik uttekent worrn. De formal Quantentheorie vun’t Licht weer erst af 1925 entwickelt, anfungen mit Arbeiten vun Max Born, Pascual Jordan un Werner Heisenberg. De bit vundaag gellende Theorie vun de elektromagneetsch Strahlen, de ok de Lichtquanten beschrifft, de Quantenelektrodynamik (QED) geiht torüch op en Arbeit vun Paul Dirac vun 1927. Dorin beschrifft he de Wesselwirken vun quantiseert elektromagneetsch Strahlen mit en Atom. De QED weer in de 1940er Johren entwickelt un 1965 mit de Verlehen vun’n Nobelpries för Physik an Richard P. Feynman, Julian Schwinger un Shinichiro Tomonaga acht.

De Begreep Photon is 1926 dör den Chemiker Gilbert Newton Lewis prägt worrn. Man, he verstünn dorünner nich dat Lichtquant. He bruuk dat Woort in’n Tosamenhang vun en vun em vörslahn (aver allgemeen nich acht) Modell vun de Wesselwirken vun Atomen mit dat Licht.

Literatur

• Chandrasekhar Roychoudhuri, Rajarshi Roy: The nature of light: What is a photon? In: Optics and Photonics News 14 (2003), Nr. 10 SUPPL., S. 49–82 [1], ISSN 1047-6938
• Harry Paul: Photonen: Eine Einführung in die Quantenoptik. 2. Opl. Stuttgart: Teubner, 1999 (Teubner-StudienbücherPhysik). – ISBN 3-519-13222-2
• Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(6), S. 311–319 (2005). – ISSN 0028-1050
• Liang-Cheng Tu, Jun Luo, George T. Gillies: The mass of the photon. In: Reports on Progress in Physics 68 (2005), Nr. 1, S. 77–130. – doi:10.1088/0034-4885/68/1/R02

Websteden

• Welt der Physik över de Bülgen-Deelken-Natur vun’t Licht
• HydrogenLab 3D Animatschonen vun atomar Övergäng: Absorpschoon un Emisschoon vun Photonen (halfklassisch)