Optik

Photon

Was das besondere am Photon ist und wie dieses fundamentale Teilchen entsteht erfährst du hier.

Schau auf jeden Fall das Video%Videoverweis zum Photon an. Darin sind alle relevanten Informationen für dich audiovisuell aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Photon einfach erklärt

Photonen (\gamma) sind Elementarteilchen. Sie sind masselos und bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit. Nach bisherigem Wissensstand bietet die Quantenmechanik für Photonen das beste Erklärungsmodell. Das ist wahr für alle Elementarteilchen. Daher zeigt sich bei diesen ein Wellen-Teilchen-Dualismus. Das heißt sie haben Eigenschaften von Wellen und von Teilchen. 

Im Video zu Elementarteilchen erfährst du alles wichtige zum Teilchenzoo. Darin werden dir auch die wichtigen fundamentalen Kräfte erklärt. 

Was sind Photonen?

Licht ist der Bereich des elektromagnetischen Spektrums den du mit deinem bloßen Auge wahrnehmen kannst. Gelegentlich werden mit Licht auch elektromagnetische Wellen mit größeren Wellenlängen, wie Infrarotes Licht, oder kürzeren Wellenlängen, wie Ultraviolettes Licht, beschrieben. Dieses Licht wird in der Quantenphysik als ein Strom von Quantenobjekten beschrieben. Diese Quantenobjekte sind die Photonen

Photonen (\gamma) sind die Trägerteilchen der Elektromagnetischen Wechselwirkung. Damit repräsentieren sie Licht, aber auch alle anderen elektromagnetischen Wellen und tragen die elektromagnetische Kraft. Durch die Quantenelektrodynamik wird das Photon als sogenanntes Boson beschrieben, ein Elementarteilchen, dessen Eigenschaften es deutlich von denen eines Elektrons oder ähnlicher Teilchen abgrenzen. In den meisten Fällen sind Bosonen immer auch Trägerteilchen für eine Kraft wie die elektromagnetische-, starke- und schwache Kraft.

Die Quantenelektrodynamik ist ein Gebiet der Quantenmechanik, welches die klassische Elektrodynamik an die moderne Quantenmechanik anpasst. Eine seiner%Wessen? Bosonen? wichtigsten Eigenschaften ist das Fehlen von Masse. Zudem sind dessen <a href="https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/arbeit-und-energie-i-370"><strong>Energie</strong> </a>wie auch <a href="https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/impuls-i-212"><strong>Impuls</strong> </a>proportional zu seiner <strong>Frequenz</strong>.<span style="color: #ff00ff;">%Bild der farbigen Wellen Wiki</span> <h2>Photon Eigenschaften</h2> <strong>Photonen</strong> sind masselose, <strong>elektrisch</strong> <strong>neutrale</strong> und <strong>stabile</strong> <strong>Elementarteilchen</strong>. Es ist das Trägerteilchen der <strong>elektromagnetischen</strong> <strong>Wechselwirkung</strong> und unterliegt nicht dem <a href="https://studyflix.de/chemie/pauli-prinzip-1959"><strong>Pauli</strong>-<strong>Prinzip</strong></a>.  <table style="border-collapse: collapse; width: 100%;"> <tbody> <tr> <td style="width: 50%;">elektrische Ladung</td> <td style="width: 50%;">0, neutral</td> </tr> <tr> <td style="width: 50%;">Masse </td> <td style="width: 50%;">0 kg</td> </tr> <tr> <td style="width: 50%;">Spin</td> <td style="width: 50%;">1</td> </tr> <tr> <td style="width: 50%;">Wechselwirkungen</td> <td style="width: 50%;">elektromagnetischGravitation</td> </tr> </tbody> </table> <h3>Photon Masse</h3> Nach dem bisherigen Wissenstand muss ein <strong>Photon</strong> masselos sein. Hätte es Masse , dann würden sich <strong>Photonen</strong> nicht mit der <strong>Lichtgeschwindigkeit</strong> (c) bewegen. Das hätte zur Folge, dass die <strong>Lichtgeschwindigkeit</strong> nicht mehr die Geschwindigkeit von Licht sondern ein theoretischer Grenzwert der Geschwindigkeit wäre, welche ein Objekt in der <strong>Raumzeit</strong> erreichen könnte. Zudem wäre die Geschwindigkeit des Photons abhängig von dessen <strong>Frequenz</strong> und viele Naturgesetze, wie das <a href="https://studyflix.de/elektrotechnik/coulombsches-gesetz-1840"><strong>Coulomb</strong> <strong>Gesetz</strong></a>, erhielten zusätzliche Faktoren. Viele moderne Geräte würden dann anders oder gar nicht funktionieren. Experimentell ist nachgewiesen, dass das <strong>Photon</strong> <strong>masselos</strong> ist.  <h3>Photon Energie</h3> <strong>Photonen</strong> bewegen sich im <strong>Vakuum</strong> mit der <strong>Lichtgeschwindigkeit</strong>c. Daher brauchst du die <strong>Relativitätstheorie</strong>, um dessen Energie zu bestimmen. Diese erhältst du über den relativistischen Zusammenhang zwischen Masse, Energie und Impuls. E^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4 In dieser Formel stehtEfür die Energie,pfür den Impuls,mfür die Masse undcfür die Lichtgeschwindigkeit. Setzt dum = 0ein, erhältst du für die Energie eine Proportionalität zwischen Impuls und EnergieE=p \cdot c.  Da das <strong>Photon</strong> ein <strong>Quant</strong> ist, drückst du dessen Geschwindigkeit und damit den Impuls über dessen <strong>Frequenz</strong> beziehungsweise Wellenlänge aus. Damit erhältst du einen Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Energie. E = \hbar \omega = h \nu = \frac{hc}{\lambda} In dieser Formel steht\nufür die Frequenz des Photons,\omega = 2 \pi \nuist dessen Kreisfrequenz,hdas <a href="https://studyflix.de/chemie/plancksches-wirkungsquantum-1818"><strong>Plancksche Wirkungsquantum</strong></a>,\hbar = \frac{h}{2 \pi}ist das <strong>reduzierte Plancksche Wirkungsquantum</strong> und\lambdadie Wellenlänge des Photons.  <h3>Photon Impuls</h3> Wie bereits erwähnt, verbindet die <strong>Relativitätstheorie</strong> den <strong>Impuls</strong> mit der <strong>Energie</strong>. Das ist für das <strong>Photon</strong> von Bedeutung, da dieses sich mit <strong>Lichtgeschwindigkeit</strong>, also relativistisch bewegt.  Erweiterst du  E = \frac{hc}{\lambda} mit2 \pi, so erhältst du p = \hbar k Hierbei istk = \frac{2 \pi}{\lambda}die Wellenzahl.  p = \hbar k = \frac{h \nu}{c} = \frac{h}{\lambda} <h3>Photon Entstehung</h3> <strong>Photonen</strong> werden auf viele Arten erzeugt. Am häufigsten beobachtest du die Erzeugung von <strong>Photonen</strong> bei den Übergängen von <strong>Elektronen</strong> auf andere <strong>Energiezustände</strong>. Das geschieht, wenn zum Beispiel ein <strong>Elektron</strong> in der <a href="https://studyflix.de/chemie/schalenmodell-1877"><strong>Elektronenschale</strong> </a>eines <a href="https://studyflix.de/chemie/atommodell-1981"><strong>Atoms</strong> </a>auf ein höheres Niveau angeregt wird. Dieses Niveau ist instabil und das <strong>Elektron</strong> springt nach kurzer Zeit wieder zurück in seinen ursprünglichen Zustand. Das höhere Niveau hatte aber mehr Energie als das ursprüngliche. Dieser Überschuss an Energie wird in Form eines <strong>Photons</strong> abgegeben. Aber auch bei nuklearen Übergängen können <strong>Photonen</strong> in Form von <strong>Gammastrahlung</strong> emittiert werden oder bei Teilchen-Antiteilchen Vernichtungsreaktionen. Mit dem richtigen Messwerkzeug stellst das Vorhandensein solcher Photonen fest.<span style="color: #ff00ff;">%Bild Energetischer Übergang</span> Die <strong>Gammastrahlung</strong> ist ein weiterer Fall der Photonen Erzeugung. Schau dazu auf jeden Fall noch das <a href="https://studyflix.de/chemie/gamma-strahlung-1782"><strong>Video</strong> </a>an.  <h3>Verschränkte Photonen</h3> <strong>Photonen</strong> können bezüglich ihrer <a href="https://studyflix.de/chemie/polarisation-1984"><strong>Polarisation</strong> </a>oder ihrer Flugrichtung verschränkt sein. Die <strong>Polarisation</strong> gibt dir Auskunft über die Schwingungsrichtung der <strong>elektromagnetischen</strong> <strong>Welle</strong>. Das heißt, misst man die <strong>Polarisation</strong> eines dieser Teilchen, so kennt man die <strong>Polarisation</strong> des anderen.  Bei der Venichtungsstrahlung, also der Strahlung die entsteht wenn <strong>Antiteilchen</strong> und <strong>Teilchen</strong> aufeinander treffen, entstehen verschränkte <strong>Photonen</strong>. Diese beiden <strong>Photonen</strong> sind in ihrer Richtung als auch <strong>Polarisation</strong> verschränkt. In der Medizin wird diese Eigenschaft bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ausgenutzt.  <h2>Photon Anwendung</h2> <strong>Photonen</strong> finden in vielen Gebieten Anwendung. Eine der am weitesten verbreiteten und auch wichtigsten Anwendungen ist hierbei der <strong>Laser</strong>. <span style="color: #ff00ff;">%Bild stimulierte Emission</span> Schau dir zum Laser auf jeden Fall das <a href="https://studyflix.de/chemie/laser-1838"><strong>Video</strong> </a>an. Darin lernst du wie die Photonen erzeugt und angewandt werden.  Einzelne <strong>Photonen</strong> können durch verschiedene Methoden festgestellt werden. Eine der ältesten Methoden ist die Nutzung eines <strong>Photovervielfachers</strong>. Dieser nutzt den <a href="https://studyflix.de/elektrotechnik/photoeffekt-1695"><strong>Photoelektrischen</strong> <strong>Effekt</strong></a> aus. Ein Photon mit ausreichend Energie trifft auf eine Metallplatte. Dort schlägt es ein Elektron aus seiner Bindung, das durch nachfolgende Aufbauten, einen Kaskadeneffekt auslöst. <span style="color: #ff00ff;">%Bild Photoeffekt$ 

 

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