Stellen Sie sich eine Welle von gelbem Sonnenlicht vor, die durch ein Fenster strahlt. Laut Quantenphysik besteht dieser Strahl aus Zillionen winziger Lichtpakete, Photonen genannt, die durch die Luft strömen. Aber was genau ist ein photon?

Photonen sind das Zeug, aus dem Licht besteht. Kredit: JFC.

Definition

Ein photon ist die kleinste diskrete Menge oder Quanten der elektromagnetischen Strahlung., Es ist die Grundeinheit von allem Licht.

Photonen sind immer in Bewegung und bewegen sich im Vakuum mit einer konstanten Geschwindigkeit zu allen Beobachtern von 2.998 x 108 m/s. Dies wird allgemein als Lichtgeschwindigkeit bezeichnet, die mit dem Buchstaben c bezeichnet wird.

Gemäß Einsteins Lichtquantentheorie haben Photonen Energie, die ihrer Schwingungsfrequenz entspricht mal Plancks Konstante. Einstein hat bewiesen, dass Licht ein Photonenfluss ist, die Energie dieser Photonen die Höhe ihrer Schwingungsfrequenz ist und die Intensität des Lichts der Anzahl der Photonen entspricht., Im Wesentlichen erklärte er, wie ein Strom von Photonen sowohl als Welle als auch als Teilchen wirken kann.

Photoneneigenschaften

Die grundlegenden Eigenschaften von Photonen sind:

  • Sie haben null Masse und Restenergie. Sie existieren nur als sich bewegende Teilchen.
  • Sie sind Elementarteilchen trotz fehlender Ruhemasse.
  • Sie haben keine elektrische Ladung.
  • Sie sind stabil.
  • Sie sind Spin – 1-Teilchen, die sie zu Bosonen machen.
  • Sie tragen Energie und Impuls, die von der Frequenz abhängen.,
  • Sie können Wechselwirkungen mit anderen Teilchen wie Elektronen wie dem Compton-Effekt haben.
  • Sie können durch viele natürliche Prozesse zerstört oder erzeugt werden, zum Beispiel wenn Strahlung absorbiert oder emittiert wird.
  • Wenn sie sich im leeren Raum befinden, bewegen sie sich mit Lichtgeschwindigkeit.

Geschichte

Die Natur des Lichts — ob Sie es als Teilchen oder als Welle betrachten — war eine der größten wissenschaftlichen Debatten. Seit Jahrhunderten streiten sich Philosophen und Wissenschaftler über die Angelegenheit, die vor einem Jahrhundert kaum gelöst wurde.,

Die Schüler eines Zweigs der hinduistischen Philosophie namens Vaisheshika aus dem sechsten Jahrhundert vor Christus hatten eine überraschende körperliche Intuition über Licht. Wie die alten Griechen glaubten sie, dass die Welt auf „Atomen“ von Erde, Luft, Feuer und Wasser basierte. Es wurde angenommen, dass Licht selbst aus solchen sich sehr schnell bewegenden Atomen namens Tejas besteht. Das ist bemerkenswert ähnlich zu unserer modernen Theorie des Lichts und seiner Zusammensetzung Photonen, ein Begriff geprägt Tausende von Jahren später im Jahr 1926 von einem Chemiker namens Gilbert Lewis und einem optischen Physiker namens Frithiof Wolfers.,

Später, um 300 v. Chr., machte der antike griechische Physiker Euklid einen großen Durchbruch, als er Licht in geraden Linien setzte. Euklid beschrieb auch die Gesetze der Reflexion und, ein Jahrhundert später, Ptolemäus ergänzt mit Schriften über die Brechung. Erst 1021 wurden die Gesetze der Brechung in der bahnbrechenden Arbeit Kitab al-Manazir oder Book of Optics von Ibn al-Haytham formell festgelegt.

Die Renaissance würde ein neues Zeitalter der wissenschaftlichen Erforschung der Natur des Lichts einleiten., Bemerkenswert sind René Descartes ‚Einfälle in einem Aufsatz von 1637 namens La dioptrique, in dem er argumentierte, dass Licht aus Impulsen besteht, die sich sofort ausbreiten, wenn sie „Kugeln“ in einem Medium berühren. Christiaan Huygens schrieb später in Traité de la lumière, das 1690 veröffentlicht wurde, und behandelte Licht wie Schalldruckwellen als komprimierbare Wellen in einem elastischen Medium. Huygens zeigte, wie reflektierte, gebrochene und abgeschirmte Lichtwellen erzeugt werden können, und erklärte auch die Doppelbrechung.

Zu diesem Zeitpunkt hatten sich Wissenschaftler in zwei verschanzte Lager aufgeteilt., Eine Seite glaubte, dass Licht eine Welle war, während die andere Ansicht von Licht als Teilchen oder Korpuskeln war. Der große Champion der sogenannten „Korpuskularisten“ war kein anderer als Isaac Newton, der allgemein als der größte Wissenschaftler aller Zeiten geglaubt wurde. Newton mochte die Wellentheorie überhaupt nicht, da dies bedeuten würde, dass Licht zu weit in den Schatten verirren könnte.Jahrhunderts dominierte die Korpuskulartheorie die Debatte um die Natur des Lichts., Aber dann, im Mai 1801, führte Thomas Young die Welt in sein heute berühmtes Zweispaltexperiment ein, bei dem er die Interferenz von Lichtwellen demonstrierte.

Youngs Schlitzexperiment zeigt, wie jeder Schlitz als Quelle sphärischer Wellen wirkt, die sich“ stören“, wenn sie sich wie oben gezeigt von links nach rechts bewegen. Credit: University of Louisville, Department of Physics.

In der ersten Version des Experiments verwendete Young eigentlich keine zwei Schlitze, sondern eine einzelne dünne Karte., Der Physiker bedeckte einfach ein Fenster mit einem Stück Papier mit einem winzigen Loch darin, das dazu diente, einen dünnen Lichtstrahl zu trichtern. Mit der Karte in der Hand erlebte Young, wie sich der Strahl in zwei Teile teilte. Licht, das auf einer Seite der Karte vorbeiging, störte das Licht von der anderen Seite der Karte, um Fransen zu erzeugen, die an der gegenüberliegenden Wand beobachtet werden konnten. Später verwendete Young diese Daten, um die Wellenlängen verschiedener Lichtfarben zu berechnen, und kam den modernen Werten bemerkenswert nahe. Die Demonstration würde einen soliden Beweis dafür liefern, dass Licht eine Welle und kein Teilchen war.,

In der Zwischenzeit, diesmal in Frankreich, gewann die korpuskularistische Bewegung an Fahrt, nachdem die jüngsten Entwicklungen die Polarisation des Lichts auf eine Art Asymmetrie zwischen den Lichtkörperchen zurückgeführt hatten. Sie erlitten eine große Niederlage durch Augustin Fresnel, der 1821 zeigte, dass Polarisation erklärt werden kann, wenn Licht eine Querwelle ohne Längsschwingung ist. Zuvor hatte Fresnel auch eine präzise Wellentheorie der Beugung entwickelt.

Zu diesem Zeitpunkt gab es für Newtons Anhänger wenig stabilen Boden, um die Debatte fortzusetzen., Es schien, dass Licht eine Welle ist und das ist es. Das Problem war, dass der sagenumwobene Äther — das mysteriöse Medium, das benötigt wurde, um elektromagnetische Felder zu unterstützen und Fresnels Ausbreitungsgesetze zu erreichen — trotz aller Bemühungen fehlte, es zu finden. Eigentlich hat es niemand getan.

Ein großer Durchbruch gelang 1861, als James Clerk Maxwell experimentelles und theoretisches Wissen über Elektrizität und Magnetismus in 20 Gleichungen verdichtete. Maxwell sagte eine „elektromagnetische Welle“ voraus, die sich auch im Vakuum ohne konventionelle Ströme selbst aufrechterhalten kann., Dies bedeutet, dass kein Äther benötigt wird, damit sich Licht ausbreiten kann! Außerdem sagte er voraus, dass die Geschwindigkeit dieser Welle 310.740.000 m s-1 beträgt — das sind nur ein paar Prozent des genauen Wertes der Lichtgeschwindigkeit.

“ Die Übereinstimmung der Ergebnisse scheint zu zeigen, dass Licht und Magnetismus Affektionen derselben Substanz sind und Licht eine elektromagnetische Störung ist, die sich nach elektromagnetischen Gesetzen durch das Feld ausbreitet“, schrieb Maxwell 1865.,

Von diesem Tag an wurde das Konzept des Lichts zum ersten Mal mit dem von Elektrizität und Magnetismus vereint.Dezember 1900 zeigte Max Planck, dass Wärmestrahlung in diskreten Paketen von Energiequanten emittiert und absorbiert wurde. Später zeigte Albert Einstein 1905, dass dies auch für Licht galt. Einstein verwendete den Begriff Lichtquant oder Quantum of Light. Jahrhunderts, würde eine neue Revolution in der Physik wieder von der Natur des Lichts abhängen. Diesmal geht es nicht darum, ob Licht ein Krepuskel oder eine Welle ist., Es ist, ob es beides ist oder nicht.

Moderne Theorie von Licht und Photonen

Einstein glaubte, Licht sei ein Teilchen (Photon) und der Photonenfluss eine Welle. Der deutsche Physiker war überzeugt, dass Licht Teilchencharakter hat, nachdem er den photoelektrischen Effekt entdeckt hatte, bei dem Elektronen aus einer Metalloberfläche fliegen, die Licht ausgesetzt ist. Wenn Licht eine Welle wäre, hätte das nicht passieren können. Eine andere rätselhafte Sache ist, wie sich Photoelektronen vermehren, wenn starkes Licht angewendet wird., Einstein erklärte den photoelektrischen Effekt, indem er sagte, dass „Licht selbst ein Teilchen ist“, für das er später den Nobelpreis für Physik erhalten würde.

Der Hauptpunkt von Einsteins Lichtquantentheorie ist, dass die Energie des Lichts mit seiner Schwingungsfrequenz zusammenhängt. Er behauptete, dass Photonen Energie haben, die gleich „Plancks konstanter Zeitschwingungsfrequenz“ ist, und diese Photonenenergie ist die Höhe der Schwingungsfrequenz, während die Intensität des Lichts der Anzahl der Photonen entspricht., Die verschiedenen Eigenschaften von Licht, einer Art elektromagnetischer Welle, sind auf das Verhalten extrem kleiner Teilchen zurückzuführen, die als Photonen bezeichnet werden und für das bloße Auge unsichtbar sind.

Einstein spekulierte, dass, wenn Elektronen in der Materie mit Photonen kollidieren, ersteres die Energie des letzteren aufnimmt und herausfliegt und dass je höher die Schwingungsfrequenz der auftreffenden Photonen ist, desto größer ist die Elektronenenergie, die herausfliegen wird. Einige von Ihnen haben einen funktionierenden Beweis für diese Idee in Ihrem eigenen Zuhause-es sind die Sonnenkollektoren!, Kurz gesagt, er sagte, dass Licht ein Photonenfluss ist, die Energie dieser Photonen die Höhe ihrer Schwingungsfrequenz ist und die Intensität des Lichts mit der Anzahl der Photonen zusammenhängt.

Einstein konnte seine Theorie beweisen, indem er Plancks Konstante aus seinen Experimenten zum photoelektrischen Effekt ableitete. Seine Berechnungen ergaben einen planckschen konstanten Wert von 6.6260755 x 10-34, der genau das ist, was Max Planck 1900 durch seine Forschung über elektromagnetische Wellen erhalten hat., Dies deutete eindeutig auf eine intime Beziehung zwischen den Eigenschaften und der Schwingungsfrequenz von Licht als Welle und den Eigenschaften und dem Impuls von Licht als Teilchen hin. Später, in den 1920er Jahren, entwickelte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger diese Ideen mit seiner Gleichung für die Quantenwellenfunktion, um zu beschreiben, wie eine Welle aussieht.

Mehr als hundert Jahre, seit Einstein die doppelte Natur des Lichts zeigte, haben Schweizer Physiker an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne den ersten Schnappschuss dieses dualen Verhaltens aufgenommen., Das Team um Fabrizio Carbone führte 2015 ein cleveres Experiment durch, bei dem mit einem Laser auf ein Nanodraht geschossen wurde, wodurch Elektronen vibrierten. Licht bewegt sich entlang dieses winzigen Drahtes in zwei mögliche Richtungen, wie Autos auf einer Autobahn. Wenn sich Wellen in entgegengesetzte Richtungen treffen, bilden sie eine neue Welle, die aussieht, als ob sie an Ort und Stelle steht. Hier wird diese stehende Welle zur Lichtquelle für das Experiment und strahlt um das Nanodraht herum. Die feuerte einen neuen Elektronenstrahl ab, um die stehende Lichtwelle abzubilden, die als Fingerabdruck der Wellennatur des Lichts fungiert., Das Ergebnis kann unten gesehen werden.

Das erste Foto von Licht als Teilchen und Welle. Credit: EPFL.

Wie sieht ein Photon aus

Haben Sie sich jemals gefragt, welche Form ein Photon hat? Wissenschaftler haben über diese Frage seit Jahrzehnten nachgedacht und schließlich haben polnische Physiker 2016 das erste Hologramm eines einzelnen Lichtteilchens erstellt. Das Team der Universität Warschau erstellte das Hologramm, indem es gleichzeitig zwei Lichtstrahlen auf einen Beamsplitter aus Calcitkristall abfeuerte., Der Beamsplitter ähnelt einer Ampelkreuzung, sodass jedes Photon entweder geradeaus passieren oder eine Kurve machen kann. Wenn ein Photon für sich allein ist, ist jeder Pfad gleichermaßen wahrscheinlich, aber wenn mehr Photonen beteiligt sind, interagieren sie und die Chancen ändern sich. Wenn Sie die Wellenfunktion eines der Photonen kennen, können Sie die Form des zweiten aus den Positionen der auf einem Detektor erscheinenden Blitze ermitteln. Das resultierende Bild sieht ein bisschen wie ein Malteserkreuz aus, genau wie die Wellenfunktion, die aus Schrödingers Gleichung vorhergesagt wurde.,

Hologramm eines einzelnen Photons, rekonstruiert aus Rohmessungen auf der linken Seite im Vergleich zur theoretisch vorhergesagten Photonenform auf der rechten Seite. Credit: FUW

Fakten über Photonen

  • Licht besteht nicht nur aus Photonen, sondern die gesamte elektromagnetische Energie (dh Mikrowellen, Radiowellen, Röntgenstrahlen) besteht aus Photonen.
  • Das ursprüngliche Konzept des Photons wurde von Albert Einstein entwickelt. Es war jedoch der Wissenschaftler Gilbert N. Lewis, der zuerst das Wort „Photon“ verwendete, um es zu beschreiben.,
  • Die Theorie, die besagt, dass sich Licht sowohl wie eine Welle als auch wie ein Teilchen verhält, wird als Welle-Teilchen-Dualitätstheorie bezeichnet.
  • Photonen sind immer elektrisch neutral. Sie haben keine elektrische Ladung.
  • Photonen zerfallen nicht von selbst.