Photon

Licht als Teilchen

Wenn wir über Licht sprechen, denken wir dabei meist an Lichtstrahlen. Wir kennen auch das Modell der elektromagnetischen Welle, die sich im Raum ausbreitet. Licht kann allerdings auch als Teilchen beschrieben werden. Diese Teilchen heißen Photonen. Wir wollen im Folgenden den Weg zu ihrer Entdeckung skizzieren und ihre wichtigsten Eigenschaften auflisten.

Was ist ein Photon?

Die Frage, ob es sich bei Licht um Wellen oder Teilchen handelt, beschäftigte Forscher schon lange Zeit, als sich Anfang des 19. Jahrhunderts zunächst das Wellenmodell des Lichts durchsetzte. Mit diesem Modell konnten viele Experimente, die mit anderen Theorien nicht erklärbar waren, gut verstanden werden. Darunter fielen vor allem das Doppelspaltexperiment und andere Beugungsexperimente.

Im Jahr 1900 versuchte der Physiker Max Planck, die Eigenschaften thermischer Strahlung mathematisch zu beschreiben. Dabei stellte er fest, dass es im Rahmen der klassischen Physik nicht möglich war, eine Gleichung zu finden, die die Beobachtungen korrekt beschrieb. Er hatte erst Erfolg, als er eine neue Annahme einführte: Energie kann nur in diskreten Paketen ausgetauscht werden. Diskret bedeutet in diesem Zusammenhang, dass es eine kleinstmögliche Paketgröße gibt. Immer wenn Energie ausgetauscht wird, muss mindestens diese Menge getauscht werden. Wird mehr ausgetauscht, muss die Menge ein ganzzahliges Vielfaches dieser kleinsten Menge sein. Diese kleinsten Pakete wurden später als Quanten bezeichnet und die Tatsache, dass Energie nur in diesen Paketen ausgetauscht werden kann, als Quantisierung.

Allerdings bezog Planck die Quantisierung nicht auf das Licht selbst, sondern nur auf den Energieaustausch im Zusammenhang mit Strahlung. Dass das Licht selbst quantisiert ist, erkannte erst Albert Einstein im Jahr 1905. Er versuchte, den experimentell gezeigten fotoelektrischen Effekt auch theoretisch zu beschreiben. Einstein nahm an, dass das Licht selbst aus Teilchen besteht, die eine diskrete Energiemenge tragen und sich durch den Raum bewegen. Er nahm außerdem an, dass diese Teilchen nicht teilbar sind, sondern nur im Ganzen absorbiert oder erzeugt werden können. Im Jahr 1922 erhielt er für seine Theorie den Nobelpreis für Physik. Für die Lichtteilchen wurde später der Name Photonen eingeführt. Die Theorie der Lichtquanten wurde später durch Experimente zum Compton-Effekt bestätigt, in denen gezeigt wird, dass Photonen einen Impuls übertragen können.

Was also verstehen wir heute unter einem Photon?

Photon – Definiton

Photon – Eigenschaften

Die Energie, die ein Photon trägt, ist über die Frequenz $f$ der Strahlung bestimmt:

$E_{Photon} = hf$

Die Proportionalitätskonstante $h$ wurde schon von Max Planck eingeführt, der sie noch Hilfskonstante nannte. Heute heißt sie plancksches Wirkungsquantum und beträgt gerundet:

$h \approx 6,6 \cdot 10^{-34}~\pu{Js}$

Licht, also Photonen, breiten sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit $c$ aus. Das bedeutet, dass Photonen keine Masse haben können, weil Objekte mit endlicher Ruhemasse nicht auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können. Das liegt daran, dass ihre träge Masse mit steigender Geschwindigkeit so stark ansteigt, dass die zur weiteren Beschleunigung notwendige Energie unendlich wird. Was das für den Impuls des Photons bedeutet, können wir uns anhand der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung anschauen. Wir beginnen mit der folgenden Formel:

$E^{2} = m_0^{2}c^{4} + p^{2}c^{2}$

Darin ist $m_0$ die Ruhemasse, $c$ die Lichtgeschwindigkeit und $p$ der Impuls. Da die Ruhemasse des Photons null sein muss, gilt für die Energie:

$E^{2} = p^{2}c^{2}$

Wir können auf beiden Seiten die Wurzel ziehen und erhalten so:

$E = pc$

Diese Gleichung können wir mit der Beziehung gleichsetzen, die wir zu Beginn eingeführt haben und die die Energie in Abhängigkeit von der Frequenz des Photons ausdrückt:

$pc = hf$

Wir teilen auf beiden Seiten durch $c$, um den Impuls $p$ zu isolieren, und nutzen die Definition der Wellenlänge $\lambda = \frac{c}{f}$:

$p = \frac{hf}{c} = \frac{h}{\lambda}$

Damit haben wir eine Gleichung für den Impuls eines Photons. Je kürzer die Wellenlänge eines Photons ist, umso größer ist sein Impuls und umso größer ist seine Energie. Deswegen ist kurzwellige Strahlung wie UV- oder Röntgenstrahlung auch besonders gefährlich für den menschlichen Körper. Aufgrund ihrer hohen Energie kann sie schon in geringen Dosen Schäden am Erbgut verursachen.

Wie entsteht ein Photon?

Die Entstehung von Photonen kann auf viele verschiedene Arten erfolgen. Häufig werden sie durch energetische Übergänge erzeugt. Wenn beispielsweise Atome durch Energiezufuhr in einen angeregten Zustand versetzt werden, können sie beim Zurückfallen in den Grundzustand Photonen emittieren. Auch für die Erzeugung von Licht in Leuchtdioden sind solche Übergänge verantwortlich – nur finden sie in diesem Fall zwischen sogenannten Energiebändern statt.

Das Licht, das uns von der Sonne erreicht, entsteht durch Fusionsprozesse. Beim Verschmelzen leichter Atomkerne wird Energie in Form von Photonen frei.

Wo findet das Modell der Photonen Anwendung?

Die Modellvorstellung von Licht als Teilchen findet bei der Erklärung verschiedener Phänomene Anwendung. Beispiele sind die in der Einführung bereits erwähnten Experimente zum fotoelektrischen Effekt und zum Compton-Effekt.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist das Konzept von Sonnensegeln. Die Idee dabei ist, den Strahlungsdruck von Licht als Antrieb für Flüge im Weltall zu nutzen. Im Photonenmodell entspricht der Strahlungsdruck dem Impulsübertrag der Photonen, die auf das Segel treffen. Da der Impuls einzelner Photonen klein ist, müsste ein solches Segel eine relativ große Fläche aufspannen. Es gab bereits verschiedene Experimente mit Prototypen, die die grundsätzliche Machbarkeit des Konzepts bestätigt haben.

Photon – Zusammenfassung