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Quantenobjekt Photon

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Physik

In jeder wachen Sekunde treffen Photonen auf deine Augen. Auch wenn du sie selbst nicht wahrnehmen kannst, erlauben sie dir, die Welt um dich herum zu sehen. Doch was genau sind Photonen eigentlich?

In diesem Artikel erfährst du, was Photonen sind, welche besonderen Eigenschaften sie besitzen und ob es sich bei ihnen um Wellen oder Teilchen handelt.

Quantenobjekt Photon – Definition

Photonen sind Elementarteilchen. Das sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Im Standardmodell der Elementarteilchen, das du auf der Abbildung 1 sehen kannst, gehören sie zu den Bosonen. Bosonen sind die Austauschteilchen der vier fundamentalen Wechselwirkungen unseres Universums: die elektromagnetische, die starke und die schwache Wechselwirkung sowie die Gravitation.

Das Photon ist das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung und die kleinste Einheit elektromagnetischer Strahlung. Du kannst auch davon sprechen, dass diese elektromagnetische Strahlung durch Photonen quantisiert wird.

Photon Standardmodell Elementarteilchen StudySmarterAbbildung 1: Standardmodell der Elementarteilchen

Das Gluon ist das Austauschteilchen für die starke Wechselwirkung. Die W- und Z-Bosonen sind die Austauschteilchen für die schwache Wechselwirkung. Bisher ist uns noch kein Austauschteilchen für die Gravitation beobachtet worden, aber Forscher*innen auf der ganzen Welt suchen danach.

Neben den Bosonen gibt es noch die Fermionen. Das sind die Bausteine der Materie, dazu gehört zum Beispiel das Elektron. Sie unterscheiden sich von den Bosonen unter anderem durch ihren Spin: Bosonen haben einen ganzzahligen Spin (–1 ; 0 ; 1) und Fermionen einen halbzahligen Spin

In der Physik besitzen Teilchen eine Eigenschaft, die sich Spin nennt. Zur Vereinfachung kannst du dir das wie den Drehimpuls des Teilchens vorstellen, das um seine eigene Achse rotiert.

Im Gegensatz zu Bosonen unterliegen Fermionen dem sogenannten Pauli-Prinzip. Dieses besagt, dass zwei oder mehr Fermionen nicht denselben Quantenzustand einnehmen können. Die Elementarteilchen lassen sich nämlich anhand von vier verschiedenen Quantenzuständen beschreiben. Stell dir das wie spezifische Eigenschaften der Elementarteilchen vor. Zwei Fermionen im selben System dürfen nicht in allen vier Eigenschaften übereinstimmen.

Um mehr über das Pauli-Prinzip zu erfahren und zu verstehen, wie essentiell es für den Aufbau der gesamten Materie im Kosmos ist, schau dir unseren Artikel auf StudySmarter an!

Das elektromagnetische Spektrum

Den sichtbaren Teil der elektromagnetischen Strahlung bezeichnen wir im Alltag auch als Licht. Doch dieser Bereich macht nur einen Bruchteil des elektromagnetischen Spektrums aus. Dieses siehst du auf Abbildung 2.

Die Bereiche von Radiowellen bis Gammastrahlung unterscheiden sich durch ihre Wellenlänge und Frequenz. Je kleiner die Wellenlänge und je größer die Frequenz, desto hochenergetischer sind die Photonen und desto weiter rechts auf dem elektromagnetischen Spektrum findest du sie. Gammastrahlung ist die hochenergetischste Art elektromagnetischer Strahlung.

Quantenobjekt Photon Elektromagnetisches Spektrum StudySmarterAbbildung 2: Elektromagnetisches Spektrum

Quantenobjekt Photon – Entstehung

Photonen können auf vier unterschiedliche Weisen entstehen: durch einen Quantensprung, durch die Annihilation von Antiteilchen, durch nukleare Übergänge oder auch durch das Abbremsen von Teilchen.

Der Quantensprung ist die häufigste Ursache für die Entstehung von Photonen. Wenn du mehr dazu wissen möchtest, schau dir unseren Artikel zum Thema Atomarer Energieaustausch an.

Bei einem Quantensprung wechselt ein Elektron in der Atomhülle sein Energieniveau. Vereinfacht kannst du dir die Elektronen vorstellen, die auf festgelegten Bahnen um den Atomkern kreisen. Jede Bahn entspricht einem Energieniveau des Elektrons. Je weiter außen sich das Elektron befindet, desto höher sein Energieniveau.

Allerdings können Elektronen auch ihre Bahn wechseln. Will ein Elektron auf eine höhere Schale wechseln, muss es Energie aufnehmen, und zwar exakt so viel, wie die Differenz zwischen seiner eigenen und der nächsten Schale beträgt. Umgekehrt, wenn ein Elektron auf eine niedrigere Schale wechselt, gibt es diese Energiedifferenz ab. Diese Energie wird in Form von Photonen aufgenommen oder abgegeben.

Quantenobjekt Photon Emission StudySmarterAbbildung 3: Photonen-Emission

Aus der Elementarteilchenphysik stammt das Prinzip der Annihilation. Übersetzt bedeutet dies Auslöschung und genau das passiert, wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen zusammentreffen.

Als Annihilation bezeichnest du den Vorgang der Paarvernichtung von Teilchen. Unsere gesamte Welt ist aus klassischer Materie aufgebaut, aber es gibt noch die sogenannte Antimaterie.

Jedes Materieteilchen hat ein Gegenteilchen, ein sogenanntes Antiteilchen. Dieses hat dieselbe Masse und denselben Spin, jedoch die entgegengesetzte Ladung. Das Gegenteilchen des Elektrons mit der Ladung -1e ist das Positron mit der Ladung +1e. Kommen die beiden in Kontakt, vernichten sie sich und wandeln ihre Materie in elektromagnetische Strahlung um.

Quantenobjekt Photon Annihilation StudySmarterAbbildung 4: Annihilation

Woher kommt eigentlich das Licht, welches unsere Sonne emittiert? Es stammt aus Kernprozessen im Inneren der Sonne, genauer gesagt der Kernfusion. Das Gegenstück dazu ist die Kernspaltung, von der du sicherlich schon mal etwas im Kontext der Atomkraftwerke gehört hast. Bei beiden Vorgängen werden Photonen emittiert.

Bei nuklearen Übergängen, zum Beispiel bei Kernfusion oder Kernspaltung, können ebenfalls Photonen entstehen. Bei Kernfusion verschmelzen zwei kleine Atomkerne zu einem größeren Atom. Bei der Kernspaltung zerfällt ein größerer Kern in zwei kleinere Atomkerne. Dabei wird Energie in Form von Photonen frei (in der Abbildung als roter Pfeil markiert). Auch beim sogenannten Gammazerfall entstehen hochenergetische Photonen. Lies dir zu diesen drei Themen am besten unsere Artikel durch.

Quantenobjekt Photon Kernfusion StudySmarterAbbildung 5: Kernfusion

Zuletzt schauen wir uns noch die Bremsstrahlung an. Sie spielt zum Beispiel eine wichtige Rolle bei der Funktionsweise einer Röntgenröhre, wie sie in Krankenhäusern verwendet wird.

Wie der Name schon andeutet, entsteht Bremsstrahlung, wenn ein Teilchen mit hoher Geschwindigkeit abgebremst wird. Geschwindigkeit wird in der Physik als kinetische Energie beschrieben. Beim Abbremsen emittiert das Teilchen die überschüssige kinetische Energie in Form von Photonen. Im Fall der Röntgenröhre befinden sich die emittierten Photonen im Bereich der Röntgenstrahlung.

Quantenobjekt Photon Bremsstrahlung StudySmarterAbbildung 6: Bremsstrahlung

Sind Photonen Welle oder Teilchen?

Typischerweise stellen wir uns Photonen als Wellen mit bestimmter Frequenz und Wellenlänge vor. Gleichzeitig ordnen wir sie im Standardmodell den Elementarteilchen zu. Sind Photonen nun Welle oder Teilchen?

Quantenobjekt Photon – Das Doppelspaltexperiment

Das Doppelspaltexperiment wurde bereits 1802 vom Physiker Thomas Young durchgeführt. Heute gilt es als eines der einflussreichsten und bekanntesten Experimente der Quantenmechanik. Schau dir zu diesem faszinierenden Themengebiet aus der Quantenmechanik unseren Artikel auf StudySmarter an!

Versuchsaufbau

Für den Doppelspaltversuch brauchst du eine Lichtquelle, zum Beispiel einen Laser oder eine Elektronenkanone. Diese stellst du in einiger Entfernung zu einem Detektor (oder einem Beobachtungsschirm) auf, der registriert, an welchen Stellen Licht auf ihn trifft. Zwischen die Lichtquelle und den Detektor stellst du eine Trennwand mit zwei hauchdünnen Spalten auf. Nun schaltest du die Lichtquelle an und beobachtest, wo die Photonen bzw. Elektronen auf dem Detektor auftreffen. Ziel ist es, herauszufinden, welchen Spalt die Photonen bzw. Elektronen durchqueren.

Quantenobjekt Photon Doppelspaltexperiment StudySmarterAbbildung 7: Versuchsaufbau des Doppelspaltexperimentes

Ergebnisse

Handelt es sich bei Photonen um Teilchen, würden wir intuitiv erwarten, dass die Photonen entweder den einen oder den anderen Spalt passieren und dann auf den Detektor treffen. Folglich sollten sich direkt hinter den Spalten zwei helle Streifen bilden. Diese hellen Streifen würden aus vielen einzelnen Punkten bestehen, genau dort, wo die Teilchen auftreffen. Das kannst du auch auf Abbildung 8 erkennen.

Quantenobjekt Photon Doppelspaltexperiment StudySmarterAbbildung 8: Ergebnisse des Doppelspaltexperimentes, wenn die Information des Weges gemessen wird

Handelt es sich bei Photonen um Wellen, würden wir erwarten, dass sich ein Muster aus abwechselnd hellen und dunklen Streifen bilden. Wobei die Streifen direkt hinter den beiden Spalten am hellsten wären und die Helligkeit nach außen kontinuierlich abnehmen würde. Das kommt zustande, indem die Welle gleichzeitig beide Spalten passiert und danach wieder mit sich selbst interagiert. Das passende Phänomen dazu kennst du als Interferenz. Das kannst du auch auf Abbildung 9 erkennen.

Quantenobjekt Photon Doppelspaltexperiment StudySmarterAbbildung 9: Ergebnisse des Doppelspaltexperimentes, wenn die Informationen des Weges nicht gemessen werden

Interferenz tritt bei der Interaktion von zwei Wellen auf, deren Wellenlänge ein ganzzahliges Vielfaches voneinander sind. Wenn Wellen sich überlagern und dabei ihre Maxima aufeinandertreffen, verstärken sich diese.

Das bezeichnest du als konstruktive Interferenz. Treffen Maxima und Minima aufeinander, eliminieren sich diese. Das bezeichnest du als destruktive Interferenz. Interferenz kannst du auch in der Natur beobachten, zum Beispiel bei Wasserwellen. Zu diesem Thema haben wir auch einen Artikel, der dir das nochmal ausführlich erklärt.

Quantenobjekt Photon Interferenz StudySmarterAbbildung 10: konstruktive und destruktive Interferenz

Ein wichtiges Experiment zur Bedeutung der konstruktiven und destruktiven Interferenz ist das Mach-Zehner-Interferometer. Dabei wird ein Lichtstrahl mehrfach geteilt, reflektiert und schließlich von zwei Detektoren aufgefangen. An einem Detektor wird konstruktive und am anderen destruktive Interferenz gemessen. Um zu verstehen, wie genau das funktioniert und welche wichtigen Anwendungen es für das Mach-Zehner-Interferometer gibt, schau bei unserem Artikel auf StudySmarter vorbei.

Tatsächlich kannst du bei dem Doppelspaltexperiment ein solches Muster auf dem Detektor beobachten. Dabei resultieren die hellen Streifen aus der konstruktiven Interferenz der Wellen, die dunklen aus der destruktiven Interferenz. Photonen sind also Wellen? Um mehr darüber zu erfahren, schau dir am besten unseren Artikel zum Doppelspaltexperiment an dem wohl wichtigsten Experiment aus der Quantenmechanik!

Variationen des Doppelspaltexperiments

In einer Abwandlung des Versuchs haben Physiker*innen statt eines Lichtstrahls nur einzelne Photonen in langen Abständen auf den Detektor gefeuert. Das Ergebnis war erstaunlich: Die einzelnen Photonen verhielten sich zunächst wie Teilchen und trafen als einzelne Punkte auf den Schirm auf. Nachdem jedoch genügend Photonen auf den Schirm trafen, bildete sich ein Interferenzmuster heraus, jedoch mit erkennbaren individuellen Teilchen. Das folgende Bild veranschaulicht die Ergebnisse des Experiments:

Quantenobjekt Photon Doppelspaltexperiment StudySmarterAbbildung 11: Doppelspaltexperiment – immer mehr Photonen treffen auf den Schirm

In einer weiteren Variation des Experiments wird ein Apparat nahe der beiden Spalten eingebaut, der messen soll, welchen Spalt die Photonen nehmen. Allerdings wird dadurch das Ergebnis verfälscht. Wir erkennen entweder zwei eindeutige Spalten wie bei einem Teilchen oder ein Interferenzmuster wie bei einer Welle. Durch die Messung des Apparats interagiert dieser mit den Photonen, sodass die Doppelnatur verschwindet. Das nennst du auch Kollaps der Wellenfunktion.

Kurzum: Interessiert dich, welchen Weg das Teilchen auf sich genommen hat, bildet sich kein Interferenzmuster. Misst du nicht, welchen Weg das Teilchen genommen hat, erhältst du ein Interferenzmuster. So cool ist Quantenmechanik!

Quantenobjekt Photon – Der Photoelektrische Effekt

Photonen können ihre Energie auch abgeben. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der Photoelektrische Effekt. Hierzu haben wir auf StudySmarter einen eigenen Artikel. Schau dir diesen an, um mehr über den inneren und äußeren Photoeffekt zu erfahren!

Versuchsaufbau

Beim Photoelektrischen Effekt (kurz Photoeffekt) wird elektromagnetische Strahlung (Licht) auf Materie, zum Beispiel eine Metallplatte, gesendet. Dort trifft die Strahlung auf die Elektronen in den Atomhüllen und überträgt diesen ihre Energie.

Ist die Energie größer als die Bindungsenergie der Elektronen, können diese das Atom verlassen. Die Restenergie des Photons beschleunigt die herausgelösten Elektronen. Die Geschwindigkeit (kinetische Energie) der herausgelösten Elektronen hängt jedoch nicht von der Intensität des Lichts ab, mit dem die Materie bestrahlt wird, sondern von der Frequenz des Lichts.

Erklärung

Nach der Vorstellung, dass Licht eine Welle ist, hängt die Energie der Photonen von ihrer Amplitude ab. Entsprechend würde bei höherer Intensität die kinetische Energie der gelösten Elektronen steigen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Der Photoelektrische Effekt widerspricht also dem Wellenmodell des Lichts.

Albert Einstein erklärte diesen Effekt, indem er Licht nicht als kontinuierliche Welle, sondern als Energiepakete betrachtete, sogenannte Lichtquanten. Du kannst dir Licht also wie einen Teilchenstrom aus Photonen mit gewisser Energie vorstellen. Du bezeichnest diese Theorie auch als Lichtquantenhypothese.

Quantenobjekt Photon Photoeffekt StudySmarterAbbildung 12: Photoelektrischer Effekt auf Teilchenebene

Einstein ist am besten für die Entwicklung der Relativitätstheorie bekannt. Den Nobelpreis für Physik erhielt er 1921 allerdings für seine Arbeit am photoelektrischen Effekt.

Unterlegt wurde diese Theorie 20 Jahre später mit dem Compton-Effekt.

Der Compton-Effekt ergab sich aus einem Experiment des Physikers Arthur Compton. In einem Streuversuch stellte er fest, dass ein Photon nach dem Zusammenstoß mit einem Elektron eine größere Wellenlänge hat. Nach Beweis des Photoeffekts und der Lichtquantenhypothese von Albert Einstein folgerte Compton, dass diese "Energiepakete" Photonen einen Teil ihrer Energie an die Elektronen abgeben.

Quantenobjekt Photon Compton-Effekt StudySmarterAbbildung 13: Compton-Effekt

Wie wir bereits festgestellt haben, besitzen Photonen mit niedrigerer Energie eine größere Wellenlänge. So lässt sich der Effekt erklären. Wenn du für deine Klausur genau wissen möchtest, wie die Wellenlänge des gestreuten Photons berechnet wird, schau dir unseren Artikel auf StudySmarter an!

Das Photon in der Quantenmechanik

Die seltsamen Eigenschaften der Photonen lassen sich nur mithilfe der Quantenmechanik erklären. Sie sind also Quantenobjekte.

Als Quantenobjekte bezeichnest du ein Objekt, dessen Eigenschaften im Kontrast zu den täglichen Erfahrungen in unserer makroskopischen Welt stehen: Teilchen, die Barrieren einfach durchqueren oder gleichzeitig zwei parallele Spalte passieren. Wir benötigen die Quantenmechanik, um ihr Verhalten zu erklären.

Dies trifft besonders auf die Elementarteilchen zu, zu denen zum Beispiel Quarks, Elektronen und auch Photonen gehören. Aber auch größere Teilchen, wie Atome und manchmal sogar Moleküle, können sich wie Quantenobjekte verhalten.

Die Ergebnisse des Doppelspaltexperiments legen nahe, dass wir unsere Vorstellung von Wellen und Teilchen grundlegend überdenken müssen. Je nach Experiment weisen Quantenobjekte nämlich sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften auf. Dies bezeichnest du auch als Wellen-Teilchen-Dualismus.

Der Wellen-Teilchen-Dualismus bezeichnet ein Phänomen aus der Quantenmechanik, bei dem Quantenobjekte wie Photonen sowohl eine Wellen- als auch eine Teilchennatur besitzen. Dasselbe gilt jedoch auch für andere Quantenobjekte, wie zum Beispiel Elektronen. Und sogar Atome und Moleküle können diese quantenmechanische Doppelnatur aufweisen.

In der Quantenmechanik wird daher jedes Teilchen durch eine Wellengleichung beschrieben. Photonen werden auch oft als Lichtquanten mit Wellen- und Teilcheneigenschaften bezeichnet.

In der Quantenmechanik gibt es dafür sogar ein eigenes Teilgebiet, die sogenannte Quantenelektrodynamik. Die Quantenelektrodynamik ist ein Teil der Quantenfeldtheorie, die sich mit den vier Grundkräften des Universums beschäftigt. Diese Grundkräfte werden als Felder in der Raumzeit beschrieben. Ihre Austauschteilchen sind kurzzeitige Manifestierungen der Felder im Raum und besitzen Teilchen- und Welleneigenschaften. Die Quantenelektrodynamik beschäftigt sich mit der elektromagnetischen Wechselwirkung und ihrem Austauschteilchen, dem Photon.

Die de Broglie Wellenlänge

Der Erste, der realisierte, dass diese Doppelnatur auch auf andere Elementarteilchen angewendet werden kann, war der französische Physiker Louis de Broglie. Mit dem photoelektrischen Effekt und dem Doppelspaltexperiment war man darauf aufmerksam geworden, dass Photonen Wellen- und Teilcheneigenschaften besitzen.

In seiner Doktorarbeit stellte de Broglie die Hypothese auf, dass Elektronen neben Teilchen- auch Welleneigenschaften besitzen.

De Broglie formulierte sogar eine Formel, um die Wellenlänge eines Elektrons zu berechnen. Diese kannst du aber auch zur Berechnung der Wellenlänge jedes anderen Quants nehmen!

Quantenobjekt Photon de Broglie Gleichung StudySmarter

Wenn du mehr darüber wissen möchtest, wie de Broglie auf seine Theorie kam und wie man die Wellenlänge im relativistischen und nicht-relativistischen Fall betrachtet, haben wir auf StudySmarter einen Artikel, der dir die de Broglie Wellenlänge verständlich erklärt!

Die Elektronenbeugungsröhre

Die Welleneigenschaften von Elektronen lassen sich übrigens auch beweisen! Zum Beispiel mit der Elektronenbeugungsröhre. In einer Elektronenbeugungsröhre werden Elektronen in einer Vakuumröhre durch eine Spannung beschleunigt und an einem Graphitgitter gestreut. Dadurch interferieren die Wellenlängen der Elektronen miteinander, so ähnlich wie die Photonen am Doppelspalt.

Auf einem Leuchtschirm treffen die Elektronen schließlich auf und erzeugen ein Muster aus konzentrischen Kreisen. Das sieht dann ein bisschen so aus wie das Muster, das entsteht, wenn du einen Stein ins Wasser wirfst (nur grün leuchtend!). Dieses sogenannte Interferenzmuster in der Elektronenbeugungsröhre siehst du in dem folgenden Bild.

Quantenobjekt Interferenz in der Elektronenbeugungsröhre StudySmarterAbbildung 14: Interferenz in der Elektronenbeugungsröhre Quelle: physikunterricht-online.de

Die Streuung am Graphitgitter berechnest du übrigens mit der Bragg-Gleichung. Diese gibt den Winkel eines Maximums an, unter dem die Photonen gebeugt werden. Zu diesem wichtigen Thema haben wir einen Artikel, der dir genau erklärt, wie du mit der Bragg-Gleichung rechnest!

Quantenobjekt Photon – Eigenschaften

Photonen besitzen eine Reihe verschiedener Eigenschaften, die seine quantenphysikalische Natur ausmachen.

Quantenobjekt Photon: Geschwindigkeit

Beginnen wir doch mit Größen, die du schon aus der klassischen Mechanik kennst: der Geschwindigkeit, der Masse (und Größe), dem Impuls und der Energie. Aber auch hier sind Photonen ein wenig speziell.

Photonen bewegen sich mit der Lichtgeschwindigkeit. Soweit uns bekannt ist, kann nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit werden. Im Vakuum hat die Lichtgeschwindigkeit den folgenden Wert:

Quantenobjekt Photon Lichtgeschwindigkeit StudySmarter

Die Lichtgeschwindigkeit ist also die Obergrenze, mit der Informationen in unserem Universum übertragen werden können. Das hat Auswirkungen auf unsere Fähigkeit, das Universum als Ganzes zu erforschen. Stell dir vor, du liegst unter dem Nachthimmel und beobachtest die Sterne. Manche von ihnen existieren inzwischen nicht mehr. Sie haben ihr Licht vor Millionen von Jahren ausgesandt. Während das Licht durch das All zu uns reiste, ist der Stern inzwischen verglüht. Du schaust also in die Vergangenheit.

Quantenobjekt Photon: Masse

Da sich Photonen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, müssen sie masselos sein. Denn Objekte mit einer Masse können niemals Lichtgeschwindigkeit erreichen. Das lässt sich mit Einsteins Relativitätstheorie erklären.

Nehmen wir ein Raumschiff, das wir auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen wollen. Um ein ruhendes Objekt zu bewegen, müssen wir Energie investieren. Je schneller ein Objekt werden soll, desto größer muss diese Energie sein. Jetzt kommt Einsteins berühmte Formel ins Spiel, nach der Energie und Masse äquivalent sind:

Wenn du einem System Energie zuführst, nimmt es also auch an Masse zu. Schnelle Objekte sind schwerer als ruhende, weil sie über kinetische Energie verfügen. Dieser Effekt macht sich aber erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten bemerkbar. Je schneller wir unser Raumschiff also beschleunigen, desto schwerer wird es.

Je schwerer es ist, desto mehr Energie müssen wir ihm zuführen, um es noch weiter zu beschleunigen dieses Phänomen kennen wir auch aus dem Alltag.

Sobald das Raumschiff 75 % der Lichtgeschwindigkeit erreicht hat, besitzt es bereits das 1,5-fache seiner Masse. Dieser Zusammenhang steigt exponentiell an. Irgendwann würde die Masse unendlich werden und damit auch die Energie, die wir brauchen, um sie zu beschleunigen. Deshalb können sich nur masselose Objekte mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Quantenobjekt Photon: Durchmesser

Kann etwas, das sowohl Welle als auch Teilchen ist und keine Masse besitzt, einen Durchmesser haben? Diese Frage ist gar nicht so leicht zu beantworten und hängt davon ab, ob du dich der Antwort über die Teilchenaspekte oder die Wellenaspekte des Photons näherst.

Mathematisch werden Photonen genau wie Elektronen als Punktteilchen ohne räumliche Ausdehnung beschrieben. Es hat zwar keinen Durchmesser, dafür aber einen Wirkungsradius, also den Bereich, der durch die Anwesenheit eines Photons beeinflusst wird. Dieser ist unfassbar klein.

Eine andere häufige Annäherung zur Größe des Photons ist über seine Welleneigenschaften. Dabei wird die Größe des Photons über seine Wellenlänge definiert. Aber so ganz genau wissen die Physiker*innen das selbst nicht.

Quantenobjekt Photon: Energie

Die Energie eines Photons ist abhängig von seiner Frequenz und seiner Wellenlänge. Je kleiner die Wellenlänge und je höher die Frequenz, desto mehr Energie besitzt das Photon. Du kannst die Energie mit folgender Formel berechnen, das Ergebnis gibst du dann in der Einheit Joule (J) an:

Die Formel für die Energie eines Photons lautet:

Quantenobjekt Photon Energie Formel StudySmarter

Das wollen wir uns jetzt mal anhand eines Beispiels anschauen:

Aufgabe 1

Berechne die Energie eines Photons mit der Wellenlänge (Nanometer) und gib an, in welchem Bereich des elektromagnetischen Spektrums es sich befindet.

Lösung

Zunächst wandelst du die Wellenlänge in Meter um:

Um die Energie zu berechnen, musst du nun einfach die Wellenlänge sowie die Konstanten h und c in die Gleichung einsetzen.

Anhand des elektromagnetischen Spektrums kannst du ablesen, dass das Photon aus dem Bereich der UV-Strahlung stammt.

Quantenobjekt Photon: Impuls

Der Impuls beschreibt den Bewegungszustand eines Systems oder Körpers. Auch Photonen haben einen Impuls, obwohl sie masselos sind. Du kannst den Impuls eines Photons einfach berechnen.

Den Impuls von Licht berechnest du, indem du die Energie des Photons durch die Lichtgeschwindigkeit teilst:

Photon Impuls Licht StudySmarter

Wenn du diese Gleichung ein wenig umstellst, erhältst du übrigens die de Broglie Gleichung. Schau dir unseren Artikel zu dem Thema an, um zu verstehen, wie genau das funktioniert.

Aber zunächst schauen wir uns am besten eine Aufgabe zum Impuls von Photonen an. Dafür nehmen wir das Photon von der ersten Aufgabe:

Aufgabe 2

Berechne den Impuls eines Photons aus dem Ultraviolett-Bereich mit der Wellenlänge (Nanometer).

Lösung

Die Energie des Photons haben wir bereits oben berechnet. Nun setzten wir diese in die Gleichung ein:

Um mehr darüber zu erfahren, schau dir am besten unseren Artikel zum Thema Energie, Masse und Impuls von Photonen an. Darin erklären wir dir diese Eigenschaften nochmal im Detail.

Quantenzahlen

In der Quantenmechanik werden Objekte nach sogenannten Quantenzahlen kategorisiert.

Eine Quantenzahl (auch Quantenzustand) beschreibt einen messbaren Zustand bzw. eine messbare Eigenschaft eines Quantenobjekts. Zu diesen intrinsischen Eigenschaften der Quanten zählen zum Beispiel die Hauptquantenzahl oder der Spin (und noch sehr viele weitere). Außerdem kann eine Quantenzahl nur bestimmte Werte annehmen.

Allerdings haben nicht alle Elementarteilchen dieselben Eigenschaften. Zum Beispiel haben Elektronen eine Hauptquantenzahl (diese beschreibt ihr Energielevel in einem Atom), Photonen dagegen besitzen keine Hauptquantenzahl (da sie nicht an Atome gebunden sind). Elektronen und Protonen besitzen allerdings beide einen Spin. Für mehr Informationen bietet dir unser Artikel zum Thema Quantenzahlen einen super Überblick!

Quantenobjekt Photon: Spin

Als Beispiel schauen wir uns kurz den Spin eines Photons an. Aber natürlich haben wir auch einen Artikel, der dir die Spinquantenzahl ausführlich erklärt.

Photonen gehören zu der Klasse der Bosonen und haben einen ganzzahligen Spin von 1. Das bedeutet, dass sie nach dem Pauli-Prinzip die gleichen Quantenzustände einnehmen können. Alle Photonen könnten also denselben Quantenzustand einnehmen. Das ist wichtig für die Funktion von zum Beispiel einem Laser.

Quantenobjekt Photon - Das Wichtigste

  • Photonen sind Quantenobjekte und die Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung.
  • Licht kann zum Beispiel durch Quantensprünge, Annihilation, nukleare Übergänge oder Bremsstrahlung entstehen.
  • Photonen besitzen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften.
  • Wichtige Experimente zum Verständnis der Photonen sind das Doppelspaltexperiment und der Photoeffekt.
  • Auch andere Elementarteilchen wie das Elektron, aber sogar Atome und Moleküle, haben Welleneigenschaften. Dies kannst du mit der Elektronenbeugungsröhre nachweisen und mit der de Broglie Wellenlänge berechnen:
  • Photonen sind masselos und bewegen sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit .
  • Je höher die Frequenz und je kleiner die Wellenlänge, desto größer sind Energie und Impuls eines Photons.
  • Photonen gehören zu den Bosonen und besitzen den ganzzahligen Spin 1.
  • Die Energie eines Photons berechnest du folgendermaßen:
  • Mit dieser Formel berechnest du den Impuls des Photons:

Quantenobjekt Photon

Photonen sind Quantenobjekte. Sie besitzen typische quantenmechanische Eigenschaften wie den Wellen-Teilchen-Dualismus.

Protonen sind Quantenobjekte. Sie besitzen Eigenschaften, die mit der klassischen Physik nicht erklärbar sind. Zum Beispiel den Tunneleffekt.

Als Fotoeffekt bezeichnet man den Prozess, in dem Elektronen den Atomkern verlassen können, nachdem sie mit Licht bestrahlt wurden.

Photonen besitzen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Dies bezeichnet man in der Physik als Wellen-Teilchen-Dualismus.

Finales Quantenobjekt Photon Quiz

Frage

Woran wird die Röntgenstrahlung bei der Bragg-Reflexion reflektiert?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Röntgenstrahlung wird an einem Kristall reflektiert.

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Frage

Beschreibe den Versuchsaufbau bei der Drehkristallmethode!

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Antwort

Bei der Drehkristallmethode wird die Strahlung einer Röntgenquelle auf einen Kristall gelenkt. An diesem wird die Strahlung reflektiert. Ein Detektor misst die Strahlung, die der Kristall reflektiert. Kristall und Detektor werden rotiert, um die Reflexion unter verschiedenen Winkeln zu messen.

Frage anzeigen

Frage

Was muss auf den Kristall zutreffen, an dem die Bragg-Reflexion wirken soll?

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Antwort

Der Kristall muss gleichmäßige Abstände zwischen seinen Atomen haben.

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Frage

Was geschieht mit dem Großteil der Röntgenstrahlung, wenn diese auf den Kristall trifft?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Großteil der Strahlung passiert den Kristall.

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Frage

Warum gibt es bei der Bragg-Reflexion einen Gangunterschied?

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Antwort

Die Strahlenbündel treffen auf Atome in verschiedenen Schichten der Kristallstruktur. Dadurch legen sie unterschiedlich lange Strecken zurück bevor sie zum Detektor gelangen.

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Frage

Was muss auf die Lichtbündel vor der Reflexion zutreffen, damit diese wie in der Theorie stattfindet?

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Antwort

Die Lichtbündel müssen parallel zueinander auf den Kristall treffen. Nur dann ist der Einfallswinkel gleich, sodass sich der Gangunterschied korrekt berechnen lässt.

Frage anzeigen

Frage

Von welchen Größen hängt der Gangunterschied ab?

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Antwort

Der Gangunterschied wird durch den Einfallswinkel der Lichtbündel und den Gitterabstand bestimmt.

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Frage

Wie hängen Einfallswinkel, Gangunterschied und Gitterabstand zusammen?

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Antwort

Der Gitterabstand und die Hälfte des Gangunterschieds spannen ein Dreieck auf. Dem Gangunterschied gegenüber liegt im Dreieck der Einfallswinkel.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Photonen?

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Antwort

Photonen sind die Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung und damit die Teilchen des Lichts. Sie gehören zu den Elementarteilchen.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt der Wellen-Teilchen-Dualismus?

Antwort anzeigen

Antwort

Als Wellen-Teilchen-Dualismus bezeichnet man eine Eigenschaft von Quantenobjekten: Diese können je nach Messung sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Masse haben Photonen?

Antwort anzeigen

Antwort

Photonen sind masselose Teilchen.

Frage anzeigen

Frage

Sind Photonen Wellen oder Teilchen?

Antwort anzeigen

Antwort

Photonen sind Quantenobjekte, sie besitzen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Das bezeichnest du als Wellen-Teilchen-Dualismus.

Frage anzeigen

Frage

Wie funktioniert der Photoelektrische Effekt?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Photoelektrischen Effekt wird eine Metallplatte mit Licht bestrahlt. Dabei gibt das Licht seine Energie an die Elektronen im Metall ab, sodass diese ihre Atome verlassen können.

Frage anzeigen

Frage

Wie können Photonen entstehen?

Antwort anzeigen

Antwort

Quantensprünge

Frage anzeigen

Frage

Was ist Annihilation?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei Annihilation vernichten sich Materieteilchen und ihre Antiteilchen unter Emission von Energie in Form von Photonen.

Frage anzeigen

Frage

Was ist das Doppelspaltexperiment?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Doppelspaltexperiment werden Photonen durch zwei dünne Spalten auf einen Detektor gefeuert. Das Doppelspaltexperiment ist wichtig für das Verständnis des Wellen-Teilchen-Dualismus.

Frage anzeigen

Frage

Was zeigt das Doppelspaltexperiment?

Antwort anzeigen

Antwort

In der Quantenmechanik dient das Doppelspaltexperiment zum Nachweis des Wellen-Teilchen-Dualismus.

Frage anzeigen

Frage

Was ist Interferenz?

Antwort anzeigen

Antwort

Interferenz ist der Vorgang der Wellenüberlagerung. Bei konstruktiver Interferenz verstärken sich die Wellen, bei destruktiver Interferenz löschen sie sich aus. Interferenz findet nur bei Wellen statt deren Länge ein ganzzahliges Vielfaches voneinander sind.

Frage anzeigen

Frage

Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Energie, Frequenz und Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung?

Antwort anzeigen

Antwort

Je höher die Frequenz und je kleiner die Wellenlänge, desto energiereicher die Strahlung. Gammastrahlung ist die energiereichste bekannte Strahlung.

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