Photon

Photon
Klassifikation
Elementarteilchen; Boson; Eichboson
Eigenschaften
elektrische Ladung	0 C
Spin	1

In der Physik bezeichnet man mit Photon (von Griechisch φως, phos = Licht) die elementare Anregung (Quant) des quantisierten elektromagnetischen Felds. Es ist eines der Studienobjekte der Quantenelektrodynamik, des ältesten Teils des Standardmodells der Teilchenphysik. Anschaulich gesprochen sind Photonen die „Bausteine“ elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie „Lichtteilchen“. Allerdings darf dabei nicht vergessen werden, dass alle (Elementar-) Teilchen einschließlich der Photonen auch Welleneigenschaften besitzen (siehe auch: Welle-Teilchen-Dualismus; Quantenelektrodynamik).

Geschichte

Seit der Antike gab es verschiedene, oft einander widersprechende Vorstellungen über die Natur des Lichts. Im 19. Jahrhundert konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien. Während viele Phänomene wie Interferenz- und Polarisationserscheinungen für eine Wellennatur des Lichts sprachen, gab es auch Indizien für einen Teilchencharakter. Ein historisch sehr wichtiges Experiment, welches auf eine Teilchennatur des Lichts hinwies, war im Jahre 1887 die Beobachtung des Photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs.

Die Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung geht letztendlich auf die Erklärung der Schwarzkörperstrahlung durch Max Planck im Jahr 1900 zurück (Plancksches Strahlungsgesetz). Planck selbst stellte sich allerdings nicht die elektromagnetische Strahlung an sich quantisiert vor, sondern erklärte die Quantisierung damit, dass die Oszillatoren in den Wänden der Schwarzkörperresonatoren nur diskrete Energiemengen mit dem elektromagnetischen Feld austauschen können.

Albert Einstein beschrieb 1905 in seiner Publikation zum photoelektrischen Effekt das Licht als aus Lichtquanten mit Partikeleigenschaften bestehend (für diese Arbeit wurde er 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet). Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde erst seit 1925 beginnend mit Arbeiten von Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg entwickelt. Die bis heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung, welche auch die Lichtquanten beschreibt, die Quantenelektrodynamik (QED), geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit von Paul Dirac im Jahr 1927 zurück, in der er die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom beschreibt. Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Richard P. Feynman, Julian Schwinger und Shinichiro Tomonaga gewürdigt.

Der Begriff Photon wurde 1926 durch den Chemiker Gilbert Newton Lewis geprägt, der darunter aber nicht das Lichtquant verstand. Er verwandte den Begriff im Rahmen eines von ihm vorgeschlagenen (und allgemein nicht anerkannten) Modells der Wechselwirkung von Atomen mit Licht.

Symbol

Für das Photon wird im allgemeinen das Symbol $\gamma$ (gamma) verwendet. In der Hochenergiephysik ist dieses Symbol allerdings reserviert für die hochenergetischen Photonen der Gammastrahlung (Gamma-Quanten) und die in diesem Zweig der Physik ebenfalls relevanten Röntgenphotonen erhalten das Symbol X (von Englisch: X-ray).

Eigenschaften

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert. Das bedeutet, die kleinste Menge an elektromagnetischer Strahlung beliebiger Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Photonen besitzen wahrscheinlich keine Ruhemasse. Die experimentell bestimmte und akzeptierte obere Schranke liegt bei 6 * 10^-17 eV (Quelle: Particle Data Group). Ein freies Photon befindet sich nie in Ruhe, sondern bewegt sich immer mit der Lichtgeschwindigkeit. In optischen Medien ist die effektive Lichtgeschwindigkeit im Vergleich zur Vakuumlichtgeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie verringert. Da Photonen Energie besitzen, wechselwirken sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Gravitation.

Erzeugung und Detektion

Photonen können auf vielerlei Arten erzeugt werden, insbesondere durch Übergänge ("Quantensprünge") von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen (z. B. verschiedenen Atom- oder Molekülorbitalen oder Energiebändern in einem Festkörper). Photonen können auch bei nuklearen Übergängen, Teilchen-Antiteilchen-Vernichtungsreaktionen, oder durch beliebige Fluktuationen in einem elektromagnetischen Feld erzeugt werden.

Zum Nachweis von Photonenströmen können z. B. Photomultiplier, Photoleiter oder Photodioden verwendet werden. CCDs, Vidicons, PSDs, Quadrantendioden oder Fotoplatten und -filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. Im IR-Bereich werden auch Bolometer eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durch Geigerzähler einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier und Avalanche-Photodioden können auch zur Einzelphotonendetektion im optischen Bereich verwendet werden, wobei Photomultiplier im Allgemeinen die niedrigere Dunkelzählrate besitzen, Avalanche-Photodioden aber noch bei niedrigeren Photonenenergien bis in den IR-Bereich einsetzbar sind.

Masse

Die Ruhemasse eines Photons ist stets gleich Null. Diese Tatsache ergibt sich zum einen aus der unendlichen Reichweite der elektromagnetischen Wechselwirkung und zum anderen aus der speziellen Relativitätstheorie. Particle Data Wert 2006 für Photonen ist <6 *10^-17 eV.

Ersteres Argument stützt sich darauf, dass alle Arten von Teilchen nach einer bestimmten Zeit zerfallen; dies geschieht umso schneller, je schwerer die Teilchen sind. Aufgrund dieses Zusammenhanges ist beispielsweise die Reichweite der starken Wechselwirkung so gering. Die Pionen, welche als Austauschteilchen der starken Kernkraft aufgefasst werden können, sind sehr schwer und zerfallen daher bereits nach sehr kurzer Zeit. Daher wirkt die starke Wechselwirkung nur in einem Bereich, der der Größenordnung von Atomkernen entspricht. Da die elektromagnetische Wechselwirkung jedoch eine unendliche Reichweite hat, zerfallen Photonen niemals und können daher keine Ruhemasse tragen.

Die spezielle Relativitätstheorie hingegen verbietet nicht nur das Erreichen der Lichtgeschwindigkeit für jedwedes massebehaftete Objekt, sondern liefert auch den direkten mathematischen Nachweis. Die relativistische Gesamtenergie eines Teilchens lautet

E={\sqrt {(m_{0}c^{2})^{2}+(pc)^{2}}}

Die Geschwindigkeit ist definiert als die Ableitung der Energie nach dem Impuls

v={\frac {dE}{dp}}={\frac {pc^{2}}{\sqrt {(m_{0}c^{2})^{2}+(pc)^{2}}}}=c

wobei für Photonen v=c gilt. Diese Gleichung kann jedoch nur erfüllt sein, wenn der Term $(m_{0}c^{2})^{2}$ verschwindet, d. h. wenn die Ruhemasse m₀ = 0 ist.

Allerdings kann Photonen eine Masse zugeordnet werden, da für die Energie eines Photons stets

E=h\nu

gilt. Über die Beziehung der Energie zur Masse m = E/c² folgt

m={\frac {h\nu }{c^{2}}}

.

Spin

Photonen sind Spin-1 Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird. Photonen vermitteln die elektromagnetische Wechselwirkung: Sie sind die Teilchen, die es anderen Teilchen erlauben, miteinander elektromagnetisch wechselzuwirken. Da die elektromagnetische Wechselwirkung eine sogenannte Eichtheorie ist, zählen die Photonen zu den Eichbosonen.

Photonen im Vakuum

Im Vakuum bewegen sich Photonen mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit $c\,$ = 299792458 ms⁻¹. Die Dispersionsrelation, d. h. die Abhängigkeit der Energie $E\,$ von der Frequenz $\nu \,$ (ny), ist linear, und die Proportionalitätskonstante ist das Plancksche Wirkungsquantum $h\,$ ,

E=pc=h\nu \,.

Der Impuls $p\,$ eines Photons beträgt damit

p={\frac {h\nu }{c}}={\frac {h}{\lambda }}\,.

Photonen in Medien

In einem Material wechselwirken Photonen mit dem sie umgebenden Medium, woraus sich veränderte Eigenschaften ergeben. Das Photon kann absorbiert werden, wobei seine Energie natürlich nicht verschwindet, sondern in elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wie Phononen oder Exzitonen übergeht. Möglich ist auch, dass es sich durch ein Medium ausbreitet; zum Beispiel als gekoppeltes Phonon-Photon-Paar (Polariton). Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation, und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Vakuumlichtgeschwindigkeit bis hin zu nur einigen Metern pro Sekunde für spezielle Materialien.

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Photonen, die auf Materie treffen, lösen bei bestimmten Energien unterschiedliche Prozesse aus. Im folgenden sind für verschiedene Prozesse die Energiebereiche angegeben, in denen sie relevant sind.

1 eV bis 100 keV Photoeffekt,
100 keV bis 1 MeV Compton-Effekt,
1,022 bis 6 MeV Paarbildung
2,18 bis 16 MeV Kernphotoeffekt.
höhere Energien: Photodesintegration

Diese Effekte tragen maßgeblich dazu bei, dass man diese Strahlung detektieren kann und sich bestimmte Stoffe mit bestimmten Effekten anhand der Gammaspektroskopie nachweisen lassen.