Photon

Der Artikl is im Dialekt Waldlarisch gschriem worn.

Photonen hoassn de Aitzal, aus dene wäis Läit (gr. φως = „Liacht“), owa aa andane elektromagnetische Welln, bestengant. Bereits da Newton Isaac is davo ausganga, dasss Läit aus Aitzal bestäiht, owa de Idee s schnell wieda vowoafa woan, waal se zoigt hod, dasss Läit äiher de Eignschaftn voarana Welln hod. Alladings hammand nujane Experimente zoigt, dassma de Eignschaftn von Läit ned alle mid an Wellnmodell eaglean ko.

Klassische Voastellung: As Läit als Welln

Es gitt a ganze Hert Versuche, de wäi nahelengt, dasss Läit a elektromagnetische Welln is. Wemma z. B. an Laser af an Dopplspalt richt, zoigtse aaf an Schirm a Indafearenzmusda, des wäi fia Welln typisch is. Aussadem lousst se z. B. de Brechung an an Brisma rölladiv leicht mid'n Huygensschen Brinzip eaglean.

Vom Welln- zum Welln-Teilchen-Modell

Photoeffekt

1887 hammand da Hallwachs Wilhelm und da Hertz Heinrich an sogenanntn Photoeffekt entdeckt. Dea besagt, dassma mid an Läit vo ana Medallblattn Elektronen aussahaun ko. Da dabaa hammands festgstüllt, dass des east ab ana bestimmtn Frequenz von Läit gäit. Gleanane Frequenzn bringand goa nix, aa ned wemma gscheid affeleicht aaf d'Blattn. Des komma mid ana Welln ned eaglean, waal d'Enagie vonan Läit, des wäi aus Welln bstäiht, iwan ganzn Raum gleichvodaalt sa mäit. Dessweng mäisst a Läit midana gräissan Indensidäd grod so vüll Elektronen weghaun wäi oans midana gräissan Frequenz, des wäi vo Haus aus scho a gräissane Energie hod. Aussadem hodma festgstüllt, dass da Photostrom sofoat eisetzt, des wäi midanan Welnn ned zum Eaglean gwen waar, wääl des a Zeidl dauad häid, bis gnou Energie fiaran Photosrom do waar.

Läitquantnhybodese vom Einstein

Da Einstein Albert hod vosoucht, de Eagebnissa vom Hertz und vom Hallwachs zun eaglean und hod dessweng 1905 sei "Läitquantnhybodese" afgstüllt, de wäi sagt, dass d'Enegie von Läit ned gleichmäßig in Raum vodaald is, sondan in gloane Baggln, de wäi in oinzle Punkte vom Raum konzendriad san. Weidas hoda gsagt, dass, je noch da Frequenz vo dem Läit de Baggln a fesde Menge Energie holdn, de wäi entweda ganza owa goa ned oogem wird. Mid deara Voastellung kamma äitz eaglean, dass easd ab ana bestimmtn Frequenz Eletronen aus'n Medall aussaghaut wean kinnand. Wenn nämlich de Energiebaggln gleanan san, wäi de Energie, de wäi ma braucht, dassma a Elektron aussahaut, wird koans aussaghaut. Wenn owa de Energie glangt, nachernd kann des Baggl sofort a Elektron aussahaun und ma mou koa Zeidl woartn. De Energiebaggln nennd ma aa Läitquantn, oda eem Photonen.

Eignschaftn

Energie

Midana genaua Ausweatung vom Photoeffekt, bei deara wou de kineddische Energie vo de Elektronen $E_{kin}$ und de Frequenz vom Läit voglicha woan is, hodma festgstült, dass da folgende Zusammenhang güllt:

$\!\,hf=W_{0}+E_{kin}$

$W_{0}$ is do dabaa de Oawat, de wäi ma braucht, dassma oa Elektron aussahaun kann. Ma nennts aa Ausdrittsoawat. $h$ is a Konsdande, de wäi ma heizedogs noch'n Planck Max as "Plancksche Wirkungsquantum" nennt. De Konstantn is vom Madrial vo da Medallblattn unabhängig und hod den Wert:

$h\approx 6{,}6261\cdot 10^{-34}Js\approx 4{,}1357\cdot 10^{-15}eVs$

Waal as Photon noch'n Einstein sei ganze Energie ogitt und aussa da Ausdrittsoawat und da kineddischn Energie vo de Elektronen siest nix mea do is, mou folglich $hf$ de Energie vo dem Photon sa. Mid $f={\frac {c}{\lambda }}$, wobei $\lambda$ d'Wellnlänge vom Läit und $c$ d'Liachtgeschwindigkeit is, komma schreim:

$E_{Photon}=hf=h{\frac {c}{\lambda }}$

Masse

Fia de relativistische Masse und de gesamde Energie von an Teilchen güllt de bekannte Forml vom Einstein:

$\!\,E=mc^{2}$

Waal vo dem Photon noch dem Stoß nix mea do is, is $hf$ de gesamte Energie vo dem Photon. Fia de relativistische Masse hoisst des:

$m={\frac {E}{c^{2}}}={\frac {hf}{c^{2}}}={\frac {h}{\lambda c}}$

Impuls

Fiar'n relativistischn Impuls $p$ von an Teilchen güllt de Beziahung $p=mc$. Mid den Wert fia $m$ vo om folgt:

$p=mc={\frac {hf}{c}}={\frac {h}{\lambda }}$

Ruahmassn

Es güllt im Allgemeina de relativistische Energie-Impuls-Beziahung:

$\!\,m_{0}c^{2}=E^{2}-p^{2}c^{2}$

Wemma da de Weate fia'n Impuls und fia d'Energie eisetzt, kimmt ma af:

$m_{0}c^{2}=h^{2}f^{2}-{\frac {h^{2}f^{2}}{c^{2}}}c^{2}=h^{2}f^{2}-h^{2}f^{2}=0$

Do draus kamma also im Endeffekt folgan, dass a Photon koa Ruhemasse hod. Wemmas rächt iwalegt waar des sowieso a Grambf, waal a näids Photon ja allawal mid Liachtgschwindigkeit undawegs sa mou und folglich goa ned in Ruhe sa kannt. Nadialich gits na aa koan Ruahimpuls und koa Ruheenerge ned.

Literatua

• Chandrasekhar Roychoudhuri, Rajarshi Roy: The nature of light: What is a photon? In: Optics and Photonics News. 14, Nr. 10, 2003, ISSN 1047-6938, Supplement, S. 49–82.
• Harry Paul: Photonen: Eine Einführung in die Quantenoptik. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 1999, ISBN 3-519-13222-2. (Teubner-Studienbücher Physik)
• Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. 58(6), 2005, ISSN 0028-1050, S. 311–319.

Im Netz

 Commons: Photon – Sammlung vo Buidl, Videos und Audiodateien

• HydrogenLab 3D-Animationen vo adomare Iwagänge: Absorption und Emission vo Photonen
• QuantumLab Experimente mit oinzle Photonen: Beweis vo da Existenz, Quantenzufall, Voschränkung,…