Enerige, Masse und Impuls von Photonen

Energie, Masse und Impuls von Photonen

Du lernst wohl gerade für deine nächste Physikklausur und hast noch ein paar Fragen zur Quantenmechanik und Photonen und deren Energie, Masse und Impuls. StudySmarter ist hier um zu helfen. In diesem Artikel erfährst du die einzelnen Größen und wie man sie berechnet.

Photon – Was ist das?

Photonen sind die schnellsten Elementarteilchen der Welt (zumindest nach dem Stand der menschlichen Wissenschaft). Sie sind die Lichtquanten. Sie bewegen sich, sofern sie nicht künstlich gebremst werden, zu jeder Zeit mit Lichtgeschwindigkeit c, also 299.792 . Das heißt in 1 Sekunde würde es 7.5 Mal die Erde umkreisen. Außerdem können sie nicht nur Licht, sondern auch andere elektromagnetische Wellen darstellen.

Sie sind an sich masselos, besitzen jedoch Energie, die nach Einstein mit Masse gleichbedeutend ist. Zusätzlich besitzen sie den Wellen-Teilchen Dualismus, das heißt sie besitzen sowohl Eigenschaften einer Welle, als auch eines Quants.

Wie entstehen Photonen?

Es gibt nicht nur einen Weg für Photonen, um zu entstehen. Sie können auf viele verschiedene Arten entstehen, wir untersuchen nun die häufigste Entstehungsweise. Meist ist es ein Elektron, das in den Elektronenschalen eines Atoms seinen momentanen Energiezustand verändert. Stellen wir uns ein Elektron in der äußersten Elektronenschale eines Atoms vor. Dieser Standort des Elektrons ist nicht ideal, da es viel Energie besitzt und instabil ist. Nach kurzer Zeit wird das Elektron somit wieder in die vorherige/ innerer Elektronenschale fallen.

Nun besaß das Elektron viel Energie und ist jetzt in einer Elektronenschale in der es überhaupt nicht so viel Energie benötigt. Diese Energiedifferenz wird dann als Photon abgegeben. Es ist also überschüssige Energie, die das Elektron nicht mehr benötigt oder halten kann.

Die Masse eines Photons

Heutzutage ist die Lichtgeschwindigkeit als schnellste Geschwindigkeit bekannt. Wir Menschen können allein aufgrund der Formeln nichts auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, weil dafür unendlich viel Energie nötig wäre. Hätte ein Photon Masse so würde es nicht mehr nur die Lichtgeschwindigkeit beschreiben, sondern uns zeigen, dass wir eben doch Materie auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnten. Außerdem würde eine Masse implementieren, dass die Geschwindigkeit v des Photons abhängig von normalen Faktoren wie Frequenz oder Gravitation und Luftverdrängung wäre.

Ein Photon besitzt somit keine eigene Masse. Mit Einsteins E= besitzt es jedoch eine „relative Masse“, da es eine Energie besitzt. C ist eine Konstante, somit wäre die Gleichung gleich 0, wenn die Masse m=0 wäre. Dadurch, dass wir wissen, dass Photonen Energie besitzen, muss es während es existiert und mit Lichtgeschwindigkeit herumfliegt eine temporäre Masse besitzen, die der Energie entspricht. Es liegt somit nahe zu sagen, dass ein Photon ein gebündeltes Päckchen Energie darstellt, dass durch seine Energie und Geschwindigkeit c eine relative Masse besitzt.

Die Energie eines Photons

Wir wissen nun, dass Licht nicht einfach eine einzige Menge an Energie beschreibt, sondern viele kleine Energiepakete, die wir als Photonen definieren. Durch den Wellen-Teilchen-Dualismus und unser Wissen darüber, dass Photonen keine Ruhemasse besitzen, können wir schon einmal festhalten, dass die Energie des Photons von der Frequenz oder Wellenlänge abhängig ist. Als Formel sieht das Ganze wie folgt aus:

Da ein Photon Frequenz und Wellenlänge besitzt, können wir noch folgende Beziehung herstellen:

f=c/λ

Beispielaufgabe Energie Photon

Wir möchten herausfinden welche Energie ein Photon besitzt, das gelbes Licht transportiert. Zunächst sollten wir also herausfinden welche Wellenlänge oder Frequenz das gelbe Licht besitzt.

(Quelle: http://www.foto-net.de/net/licht/licht.html)

Wir können ablesen, dass gelbes Licht eine Wellenlänge von ca. 575 nm (Nanometer) besitzt. Wir könnten jetzt alles einfach in die erste Formel einsetzen. Zur Übersicht berechnen wir jedoch erstmal unsere Frequenz:

Nun setzen wir dies in die erste Formel ein:

Ein Photon von gelbem Licht besitzt somit eine Energie von 3,455*10^-19 Joule.

Der Impuls eines Photons

Dadurch, dass ein Photon Energie besitzt, besitzt es auch einen Impuls. Würdest du einen Spiegel in der Größenordnung eines Photons an einem seidenen Faden hängen und ein Photon darauf schießen, so würde der Spiegel anfangen zu schwingen nachdem er vom Photon getroffen wurde. Du kannst den Impuls eines Photons auf verschiedene Weisen berechnen:

Führen wir unser Beispiel mit dem gelben Licht fort. Wir hatten bereits unsere Energie berechnet. Fügen wir unser Ergebnis in die erste Formel ein:

Für die Skeptiker unter uns setzen wir einmal unsere ursprüngliche Wellenlänge in die zweite Formel ein:

Anwendung von Photonen

Quantenphysik und die Anwendung von Photonen können sowohl alltäglich, als auch sehr spezifisch sein. Beispielsweise im Sommer wird dein schwarzes T-Shirt warm, wenn du in der Sonne stehst. Das Licht bzw. Photonen haben Energie an dein T-Shirt abgegeben.

Gleichzeitig gibt es sehr wissenschaftliche Anwendungsweisen der Quantenmechanik. Bei der sogenannten Laserkühlung werden die Atome eines Gases mit Photonen beschossen. Diese Atome absorbieren dieses Photon und seine Energie. Durch diesen Prozess kann ein Hüllenelektron des Atoms in einen angeregten Zustand versetzt werden, der genauso spontan wieder „zerfallen“ kann. Bei diesem „Zerfall“ wird das Photon inklusive Energie wieder weggeschossen und das Atom erleidet einen Rückstoß, wodurch das Gas abkühlt.

Masse, Energie und Impuls eines Photons – Alles Wichtige auf einen Blick

• Photonen sind die Lichtquanten
• Sie besitzen den Wellen-Teilchen Dualismus, das heißt sie besitzen sowohl Eigenschaften einer Welle, als auch eines Quants.
• Ein Photon besitzt keine eigene Ruhemasse, jedoch eine relative Masse durch die Energie und die Lichtgeschwindigkeit, die es besitzt
• Die Energie des Photons ist von seiner Frequenz oder Wellenlänge abhängig
• Da ein Photon Energie besitzt, besitzt es auch einen Impuls
• Photonen finden in vielen Bereichen unseres Lebens ihren Einsatz. Dadurch, dass sie Licht sind, umgeben sie uns zu jedem Zeitpunkt

Nun weißt du Bescheid über Photonen und ihre Energie, Masse und Impuls. Wenn du noch etwas lernen möchtest, schaue dir gerne unsere Karteikarten zum Thema in der StudySmarter App an. Auch Karteikarten und Zusammenfassungen von anderen Schülern, die das Gleiche lernen, kannst du dort finden. Viel Erfolg!