Photon

Photon
Klassifikation
Elementarteilchen Boson Eichboson
Eigenschaften
Ladung	neutral
Masse	0 kg 0 eV/c²
Spin^Parität	1^-
Wechselwirkungen	elektromagnetisch

Das Photon (von griechisch φῶς phōs, Gen. φωτός phōtos „Licht“) ist die elementare Anregung (Quant) des elektromagnetischen Feldes. Anschaulich gesprochen sind Photonen das, woraus elektromagnetische Strahlung besteht, daher wird gelegentlich auch die Bezeichnung Lichtquant oder Lichtteilchen verwendet. In der Quantenelektrodynamik gehört das Photon als Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zu den Eichbosonen.

Forschungsgeschichte

Seit der Antike gab es verschiedene, einander teilweise widersprechende Vorstellungen von der Natur des Lichts. Bis Ende des 19. Jahrhunderts konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien miteinander (vergl.: Lichttheorien). Während viele Phänomene wie Interferenz- und Polarisationserscheinungen die Wellennatur des Lichts zu beweisen schienen, gab es auch Indizien für einen Teilchencharakter. Ein historisch wichtiges Experiment hierzu war im Jahre 1887 die Beobachtung des Photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs.

Die Entdeckung der Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung ging im Jahr 1900 vom planckschen Strahlungsgesetz aus, das die Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers beschreibt. Um dieses Gesetz theoretisch erklären zu können, musste Planck annehmen, dass die Oberfläche des schwarzen Körpers nur diskrete, zur Frequenz proportionale Energiemengen mit dem elektromagnetischen Feldaustauschen kann. Planck selbst stellte sich allerdings noch nicht die elektromagnetische Strahlung an sich quantisiert vor, sondern nur den Energieaustausch.

Albert Einstein stellte dann 1905 in seiner Publikation zum photoelektrischen Effekt die Lichtquantenhypothese auf. Ihr zufolge ist Licht ein Strom von „in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen, und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können“. Aufgrund verbreiteter Zweifel an diesen Ansichten wurden diese Arbeiten erst 1920 (Planck) und 1921 (Einstein) mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Doch wurde der Teilchencharakter der elektromagnetischen Strahlung weiterhin vielfach bezweifelt, bis Arthur Holly Compton in den Jahren 1923-25 nachweisen konnte, dass Röntgenstrahlung auf einzelne Elektronen genau so wirkt wie der Beschuss mit einzelnen Teilchen, deren Energien und Impuls gerade denen der Lichtquanten entsprachen. Für diese Entdeckung des Compton-Effekts und seine Interpretation erhielt er 1927 den Nobelpreis.

Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde erst seit 1925 beginnend mit Arbeiten von Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg entwickelt. Die heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung, die auch die Lichtquanten beschreibt, ist die Quantenelektrodynamik (QED). Sie geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit von Paul Dirac im Jahre 1927 zurück, in der die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom analysiert wird. Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Richard P. Feynman, Julian Schwinger und Shinichirō Tomonaga gewürdigt. In der QED ist das elektromagnetische Feld selbst quantisiert und das Photon seine elementare Anregung.

In einem Brief an seinen Freund Michele Besso schrieb Albert Einstein im Jahr 1951: „Die ganzen 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort der Frage ‚Was sind Lichtquanten‘ nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er täuscht sich...“

Bezeichnung und Symbol

Das Wort Photon leitet sich vom griechischen Wort für Licht, φῶς (phôs), ab. Der Name war durch verschiedene Autoren schon seit 1916 für eine kleine Energiemenge, die einen photochemischen oder photoelektrischen Effekt auslösen kann, eingeführt worden, wurde aber kaum beachtet. Max Planck z.B. sprach in seiner Nobelpreisrede 1920 noch von „Lichtquanten“. Endgültig wurde der Name durch Arthur Compton bekannt gemacht, der sich dabei auf eine Veröffentlichung des Chemikers Gilbert Newton Lewis des Jahres 1926 berief. Lewis verwandte den Begriff im Rahmen eines von ihm vorgeschlagenen Modells der Wechselwirkung von Atomen mit Licht. Dieses Modell sah unter anderem fälschlich eine Erhaltung der Photonenzahl vor und wurde allgemein nicht anerkannt.

Für das Photon wird im Allgemeinen das Symbo $\ \gamma$ (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 X-Strahlen und Englisch: X-ray).

Sehr oft wird ein Photon auch durch die enthaltene Energie dargestellt:

$E_\text{photon} = h \, \nu$

mit dem planckschen Wirkungsquantum $\, h$ und der (Licht-)Frequenz $\, \nu$

bzw.

$E_\text{photon} = \hbar \, \omega$

mit dem reduzierten planckschen Wirkungsquantum $\hbar = \frac{h}{2\pi}$ und der (Licht-)Kreisfrequenz $\, \omega = 2 \pi \, \nu$ .

Eigenschaften

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert. Das bedeutet, die kleinste Menge an elektromagnetischer Strahlung bestimmter Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Ein Photon besitzt keine Masse. Daraus folgt, dass es sich im Vakuum immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. In optischen Medien ist die Gruppengeschwindigkeit im Vergleich zur Vakuumlichtgeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie (ausgedrückt durch den Brechungsindex) verringert, die Phasengeschwindigkeit kann sogar höher als sein.

Erzeugung und Detektion

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

Zum Nachweis von Photonenströmen können unter anderem Photomultiplier, Photoleiter oder Photodioden verwendet werden. CCD-Sensoren, Vidicons, Position Sensitive Device (PSDs), Quadrantendioden oder Foto-Platten 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

Photonen haben keine Masse. Dies manifestiert sich in den Maxwellgleichungen dadurch, dass die Komponenten des elektrischen Feldes im Vakuum die Wellengleichung

$\frac 1 {c^2} \frac{\partial^2 E_i}{\partial t^2}-\sum_{j=1}^{n} \left( \frac{\partial^2 E_i}{\partial x_j^2} \right) = \Box E_i = 0$

erfüllen. Diese Wellengleichung ist für jede Komponente der elektrischen Feldstärke $\vec{E}$ (und auch der magnetischen Flussdichte $\vec{B}$ ) der Spezialfall der Klein-Gordon-Gleichung für masselose Felder bzw. Teilchen. Die Phasengeschwindigkeit ist dabei die Lichtgeschwindigkeit.

Ferner lässt die Gestalt der Maxwellgleichungen zu, elektrische und magnetische Potentiale (Eichfelder) zu definieren. Für Wechselwirkungsteilchen mit nicht verschwindender Masse ergäbe sich dann kein Coulomb-Potential, sondern ein Yukawa-Potential. Das Potential einer elektrischen Ladung wäre also mit einem zusätzlichen exponentiellen Dämpfungsterm abgeschwächt.

Hätten Photonen eine Masse, so würde diese auch das Verhalten von Magnetfeldern ändern. Solche Abweichungen konnten bislang nicht experimentell nachgewiesen werden, woraus sich die momentan (Stand 2013) bestehenden Obergrenzen für die Masse eines Photons ergeben.

Umgekehrt kann man auch aus der relativistischen Energie-Impuls-Relation $E=\sqrt{(m_0 c^2)^2 + (pc)^2}$ für m_0 = 0 sofort sehen, dass masselose Teilchenbahnen lichtartig sind:

$v=\frac{\mathrm dE}{\mathrm dp} = \frac{\mathrm d(pc)}{\mathrm dp} = c$

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.

Während etwa der Elektronenspin parallel oder antiparallel zu einer beliebig vorgegebenen Richtung ist, kann der Photonenspin wegen fehlender Masse nur parallel oder antiparallel zur Flugrichtung orientiert sein. Die Helizität des Photons ist daher eine charakteristische Größe. Dennoch kann auch ein einzelnes Photon linear polarisiert werden, indem zwei entgegengesetzt zirkular polarisierte Zustände überlagert werden.

Photonen im Vakuum

Im Vakuum bewegen sich Photonen mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit $c = 299\,792\,458 \; \mathrm{m/s}$ . Die Dispersionsrelation, d.h. die Abhängigkeit der Energie $E\,$ von der Frequenz $\nu$ (ny), ist linear, und die Proportionalitätskonstante ist das Plancksche Wirkungsquantum ,

$E = pc = h\nu\,.$

Zahlenwerte, wie sie in optischen Spektren typischerweise auftreten, können wie folgt ermittelt werden:

$E = \hbar \omega = (6{,}582\,119\,28 \cdot 10^{-16}\,\rm{eVs}) \cdot \omega$ , E dabei in eV (Elektronenvolt), ω in s⁻¹ (Kreisfrequenz), 1 eV entspricht etwa einem ω von 1,520 · 10¹⁵ s⁻¹

$E = h \cdot \nu = h \cdot c / \lambda = \left(1{,}239\,841\,930\ \mathrm {eV\mu m}\right) / \lambda$ , E dabei in eV (Elektronenvolt), λ in μm (Wellenlänge), 1 eV entspricht etwa 1,240 μm = 1240 nm

Beispiel: Rotes Licht mit 620 nm Wellenlänge hat eine Photonenenergie von ungefähr 2 eV.

Der Impuls 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. Dabei verschwindet seine Energie natürlich nicht, sondern geht in andere Energieformen über, beispielsweise elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wie Phononen oder Exzitonen. Möglich ist auch, dass es sich durch ein Medium ausbreitet. Im Teilchenbild existiert kein gleichmäßiges Medium, sondern eine Abfolge von Streuprozessen des Photons an den Atomen des Mediums. Diese Ausbreitung kann man durch die Einführung eines Quasiteilchens, des Polaritons, beschreiben. Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation, und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Vakuumlichtgeschwindigkeit, in Experimenten konnte die Geschwindigkeit auf wenige Meter pro Sekunde gesenkt werden.

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:

Rayleigh-Streuung
unter 5 eV Anregung höherer energetischer Zustände von Elektronen, keine Ionisation
5 eV bis 100 keV Photoeffekt,
50 keV bis 1 MeV Compton-Effekt,
1,022 bis 6 MeV Paarbildung (unter gewissen Bedingungen auch durch direkte Photon-Photon-Wechselwirkung möglich),
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.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de