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Photon

Photonen (aus dem griechischen φῶςphōs "Licht"; Singular "das Photon", Betonung der ersten Silbe), auch Quanten von Licht oder Lichtteilchen, sind, vereinfacht ausgedrückt, die "Energiepakete" der elektromagnetischen Strahlung. Physikalisch gesehen ist das Photon ein Austauschteilchen. Entsprechend der Quantenelektrodynamik gehört es als Mediator der elektromagnetischen Wechselwirkung zur Gruppe der Eichbosonen und ist damit ein Elementarteilchen. Das Photon besitzt keine Masse, dafür jedoch eine Energie und einen Impuls, beide proportional zu seiner Frequenz, und einen Drehimpuls. Wenn sein Vorhandensein auf ein System mit endlichem Volumen beschränkt ist, leistet es einen Beitrag zur Masse des Systems, der proportional zu seiner Energie ist.

Geschichte

Schon in der Antike gab es verschiedene, manchmal widersprüchliche Vorstellungen über die Natur des Lichts. Bis zum frühen 19. Jahrhundert konkurrierten hierbei Teilchen- und Wellentheorien miteinander. Zu dieser Zeit schien die Wellennatur des Lichts durch eine Vielzahl von Phänomenen, etwa die Interferenz- sowie die Polarisationsphänomene, bewiesen und nach den 1867 ausgearbeiteten Maxwellschen Gleichungen als elektromagnetische Welle verstanden zu werden. Es gab auch Hinweise auf einen Teilchencharakter. Ein Experiment von historischer Bedeutung in dieser Hinsicht war die Beobachtung des photoelektrischen Effekts durch Wilhelm Hallwachs und Heinrich Hertz im Jahr 1887.

Die Quantisierung elektromagnetischer Strahlung basierte auf dem Planckschen Strahlungsgesetz aus dem Jahr 1900, in der die Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers beschreiben wird. Um dieses Gesetz in der Theorie erklären zu können, ging Max Planck davon aus, dass die Oberfläche des schwarzen Körpers bei jeder Frequenz nur diskrete Energiemengen proportional zur Frequenz mit dem elektromagnetischen Feld austauschen kann. Planck selbst stellte sich jedoch nur den quantifizierten Energieaustausch vor, nicht die elektromagnetische Strahlung an sich.

Albert Einstein stellte später in seiner Veröffentlichung über den photoelektrischen Effekt im Jahr 1905 die Quantenhypothese des Lichts auf. Laut ihr ist Licht ein Strom von Energiequanten an räumlichen Punkten, die sich ohne Teilung bewegen und nur als Ganzes absorbiert und erzeugt werden können. Aufgrund weit verbreiteter Zweifel an diesen Ansichten wurde dieses Werk erst 1919 veröffentlicht. Im Jahr 1922 erhielt Einstein hierfür den Nobelpreis.

Ab 1925 wurde die formale Quantentheorie des Lichts mit den Arbeiten von Pasqual Jordan, Max Born und Werner Heisenberg entwickelt. Die Quantenelektrodynamik (QED) ist die heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung, sie beschreibt zugleich die Lichtquanten. Ihre Anfänge gehen auf eine Arbeit von Paul Dirac aus dem Jahr 1927 zurück, in der die Wechselwirkung eines Atoms mit quantifizierter elektromagnetischer Strahlung analysiert wird. Die Quantenelektrodynamik wurde in den 1940er Jahren entwickelt 1965 erhielten dafür Richard Feynman, Julian Schwinger und Shin'ichiro Tomonaga den Nobelpreis für Physik. In QED wird das elektromagnetische Feld selbst quantisiert und das Photon elementar angeregt.

Physikalisches Formelzeichen

Im Allgemeinen wird für das Photon das γ Symbol (gamma) genutzt. Ebenso werden auch hochenergetische Photonen, Gamma-Quanten, mit γ symbolisiert, hingegen Röntgenphotonen meist als X gekennzeichnet sind, abgeleitet von X-ray.

Quizfragen zum Thema Photon

1. Wie stellt sich die Gleichung für den Energiegehalt eines Photons dar?

   E_photon = hv = hc/γ = hw

2. Wie hoch ist die Lebensdauer eines Photons?

   Da Photonen nicht zerfallen, existieren sie theoretisch unendlich lange. Sie können jedoch durch verschiedene physikalische Prozesse zerstört werden.

3. Wie steht Einsteins Formel „E = mc²“ mit Photonen in Verbindung?

   Obwohl Photonen keine Masse besitzen, erhält ein ruhendes physikalisches System mit der Aufnahme eines Photon mit der Energie E einen Massezuwachs. Erklärt wird dies durch die Äquivalenz von Masse und Energie (E = mc²), die besagt, dass die Ruheenergie E eines Objektes proportional zur Masse m ist.

4. Wie funktioniert eine Lichtschranke?

   Ein Lichtstrahl wird auf eine gegenüberliegende Photozelle gesendet. Durch das Licht werden in der Photozelle Photonen emittiert, die wiederum aus dem vorhandenen Kathodenmaterial Elektronen auslösen. Die Elektronen verursachen einen Stromfluss. Wird der Lichtstrahl unterbrochen, so wird auch der Stromfluss unterbrochen.

5. Warum ist das ultraviolette Licht der Sonnenstrahlung so gefährlich, während die Infrarotstrahlung keine schädigende Wirkung besitzt?

   Die im UV-Licht vorhandenen Photonen sind sehr energiereich und können so chemische Verbindungen lösen, während die Photonen des infraroten Lichts nur geringe Mengen an Energie besitzen.

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