Einstufung | Boson |
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Komposition | Grundstufe |
Gruppe | Messboson |
Symbol | ɣ |
Masse |
0 (theoretisch) <10 −54 kg (<~ 5 × 10 −19 eV / c 2 ) (experimentell) |
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Elektrische Ladung |
0 (theoretisch) <1 × 10 −35 e (experimentell) |
Rotieren | 1 |
Lebensdauer |
Stabil (theoretisch) Nicht zutreffend > 1 × 10 18 Jahre (experimentell) |
Prognose | Albert Einstein , 1905-1917 |
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Entdeckung | Arthur Compton , 1923 |
Das Photon ist die Quanten von Energie mit zugehörigen elektromagnetischen Wellen ( im Bereich von Radiowellen , um Gammastrahlen zu sichtbarem Licht ), die bestimmten Eigenschaften eines aufweist Elementarteilchen . In der Quantenfeldtheorie ist das Photon das Vermittlerteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung . Mit anderen Worten, wenn zwei elektrisch geladene Teilchen wechselwirken, übersetzt sich diese Wechselwirkung aus Quantensicht als Austausch von Photonen.
Die Idee einer Quantifizierung der Energie von Licht durch wurde entwickelt von Albert Einstein in 1905 , aus dem Studium der Schwarzkörperstrahlung von Max Planck , das zu erklären , photoelektrischen Effekt , die nicht im Rahmen eines klassischen Wellenmodell aufgenommen werden könnten des Lichts, sondern auch aus Gründen der theoretischen Konsistenz zwischen statistischer Physik und Wellenphysik. Die Entdeckung des Compton-Effekts im Jahr 1923, der dem Licht auch Teilcheneigenschaften verleiht, und das Aufkommen der Quantenmechanik und der Welle-Teilchen-Dualität führten dazu, dieses Quant als Teilchen zu betrachten, das 1926 Photon genannt wurde.
Photonen werden als „Pakete“ von elementarer Energie oder Quanten von elektromagnetischer Strahlung , das während der Absorption oder Emission von Licht durch Materie ausgetauscht werden. Darüber hinaus ist die Energie und der Impuls ( Strahlungsdruck ) einer monochromatischen elektromagnetischen Welle ein ganzzahliges Vielfaches der eines Photons.
Das Konzept des Photons hat zu wichtigen Fortschritten in der experimentellen und theoretischen Physik geführt, wie zum Beispiel Laser , Bose-Einstein-Kondensate , Quantenoptik , Quantenfeldtheorie und die probabilistische Interpretation der Quantenmechanik . Das Photon ist ein Teilchen mit Spin gleich 1, es ist also ein Boson , und seine Masse wäre null oder auf jeden Fall kleiner als etwa 5 × 10 -19 meV / .
Die Energie eines sichtbaren Lichtphotons liegt in der Größenordnung von 2 eV , was extrem niedrig ist: Ein einzelnes Photon ist für das Auge eines Tieres unsichtbar und die üblichen Strahlungsquellen ( Antennen , Lampen , Laser usw.) erzeugen sehr große Photonenmengen, was erklärt, warum die "granulare" Natur der Lichtenergie in vielen von der Physik untersuchten Situationen vernachlässigbar ist. Es ist jedoch möglich, Photonen nacheinander durch die folgenden Prozesse zu erzeugen:
Das maskuline Substantiv "Photon" ( ausgesprochen [fɔtɔ] in Standard - Französisch ) ist abgeleitet von „ photo- “ mit dem Suffix „ -on “. Die Basis „Foto-“ stammt aus dem Altgriechischen φῶς , φωτός ( phôs, phōtós ) was „Licht“ bedeutet. Das Suffix „-on“ wird von der Endung von „ Elektron “ übernommen. "Photon" bezeichnet die Teilchen, die Licht und damit verbundene Energie tragen. Wie wir im Artikel von Albert Einstein von1905, wurde der quantifizierte Energieaustausch zwischen Licht und Materie ursprünglich als „Energiequant“ ( Energiequantum ) oder „ Lichtquant “ ( Lichtquant ) bezeichnet. Eine erste Spur des Begriffs "Photon" finden wir in1916in einem Vorschlag des amerikanischen Psychologen und Psychophysiologen Leonard T. Troland (1889-1932), um die später Troland oder Luxon genannte Einheit zu bezeichnen . Der Begriff wurde dann im Rahmen von Studien zur Physiologie der visuellen Wahrnehmung verwendet: John Joly (1857-1933) verwendet daher den Namen des Photons in1921, um die Energie zu bezeichnen, die einem elementaren Reiz entspricht, der von der Netzhaut zum Gehirn geht. Der Biochemiker René Wurmser (1890-1993) verwendet auch den Begriff. Es wurde einmal von Frithiof (Fred) Wolfers (-1971) In einer Mitteilung an der präsentierten Akademie der Wissenschaften von Aimé Cotton in seiner Studie über die gefransten Kanten des Schattens eines beleuchteten undurchsichtigen Objekt am 26. Juli 1926. Es wurde auch vom Chemiker Gilbert N. Lewis (1875-1946) in einem Brief an Nature, der am 18. Dezember 1926 veröffentlicht wurde. Zu dieser Zeit wurde der Begriff „ Photon “ von der wissenschaftlichen Gemeinschaft weit verbreitet.
In der Teilchen- und Hochenergiephysik wird ein Photon normalerweise durch das Symbol (griechischer Buchstabe gamma ) in Verbindung mit den 1900 von Paul Villard entdeckten Gammastrahlen dargestellt . 1914 demonstrierten Rutherford und Edward Andrade, dass diese Gammastrahlen tatsächlich wie Licht elektromagnetische Strahlung sind.
Im Laufe der Geschichte folgte die Beschreibung des Lichts einem merkwürdigen Pendelschwingen zwischen einer Korpuskularsicht und einer Wellensicht. In den meisten Theorien bis zum XVIII - ten Jahrhundert, wird angenommen , dass Licht aus Teilchen besteht. Obwohl Wellenmodelle von René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) und Christian Huygens (1678) vorgeschlagen werden, bleiben Teilchenmodelle dominant, teilweise aufgrund des Einflusses von Isaac Newton . Ein Wechsel des Paradigmas erfolgt von der Demonstration der Phänomene der Interferenz und Beugung von Licht , das von Thomas Young und Augustin Fresnel am Anfang des XIX E Jahrhunderts, und in 1850 werden die Wellenmodelle die Regel nach dem Experiment durchgeführt von Léon Foucault über die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts. Maxwells Vorhersage von 1865, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, gefolgt von Hertzs experimenteller Bestätigung im Jahr 1888, scheint ein Schlag gegen die Körpertheorien des Lichts zu sein.
Die Wellentheorie von Maxwell berücksichtigt nicht alle Eigenschaften des Lichts. Diese Theorie sagt voraus, dass die Energie einer Lichtwelle nur von der Amplitude der Welle abhängt, aber nicht von ihrer Frequenz; viele Experimente zeigen jedoch, dass die vom Licht auf Atome übertragene Energie nur von der Frequenz und nicht von der Amplitude abhängt. Bestimmte chemische Reaktionen sind beispielsweise nur möglich, wenn eine Lichtwelle ausreichender Frequenz vorhanden ist: Unterhalb einer Schwellenfrequenz kann das Licht unabhängig von der einfallenden Intensität die Reaktion nicht auslösen. Ähnlich werden beim photoelektrischen Effekt Elektronen erst ab einer bestimmten Frequenz von einer Metallplatte ausgestoßen, und die Energie der emittierten Elektronen hängt von der Frequenz der Welle und nicht von ihrer Amplitude ab. In der gleichen Richtung, am Ende der erzielten Ergebnisse XIX th und frühen XX - ten Jahrhundert auf der Strahlung der schwarzen Körper ist theoretisch durch reproduzierten Max Planck im Jahr 1900 unter der Annahme , dass das Material in Wechselwirkung mit einer elektromagnetischen Welle der Frequenz nur empfangen oder abstrahlen kann elektromagnetische Energie in Paketen mit genau bestimmtem Wert gleich - diese Pakete werden Quanten genannt .
Da die Maxwell-Gleichungen jeden Wert elektromagnetischer Energie zulassen , glaubten die meisten Physiker zunächst, dass diese Quantisierung der ausgetauschten Energie auf noch unbekannte Beschränkungen der Materie zurückzuführen ist , die Licht absorbiert oder emittiert. 1905 schlug Einstein als erster vor, dass die Quantifizierung von Energie eine Eigenschaft des Lichts selbst ist . Obwohl er die Gültigkeit der Maxwellschen Theorie nicht in Frage stellt, zeigt Einstein, dass das Plancksche Gesetz und der photoelektrische Effekt erklärt werden könnten, wenn die Energie der elektromagnetischen Welle in unabhängig voneinander bewegten Punktquanten lokalisiert wäre, selbst wenn die Welle selbst kontinuierlich verlängert würde im Weltraum. In seinem Artikel sagt Einstein voraus, dass die Energie der beim photoelektrischen Effekt emittierten Elektronen linear von der Frequenz der Welle abhängt. Diese starke Vorhersage wurde experimentell bestätigt Robert Andrews Millikan 1916, die ihn verdient - neben seinen Experimenten auf geladene Tropfen -. Der 1923 den Nobelpreis 1909 und 1916, Einstein , dass zeigte, wenn das Plancksche Strahlungsgesetz des schwarzen Körpers genau ist, die Energiequanten müssen auch einen Impuls tragen , was sie zu vollwertigen Teilchen macht . Der Photonenpuls wurde experimentell von Arthur Compton nachgewiesen , was ihm 1927 den Nobelpreis einbrachte.
Im Laufe Anfang des XX - ten Jahrhunderts jedoch bleibt das Photon Konzept umstritten, vor allem wegen der Mangel an einem Formalismus Wellenphänomene mit dem neu entdeckten corpuscular Phänomene zu kombinieren. So schrieb Planck 1913 in einem Empfehlungsschreiben für Einsteins Aufnahme in die Preußische Akademie der Wissenschaften:
„Wir sollten ihm nicht zu viel vorwerfen, dass er in seinen Spekulationen gelegentlich sein Ziel überschritten haben könnte, wie bei seiner Hypothese von Lichtquanten. "
Viele Effekte, die die quantisierte Natur des Lichts demonstrieren, können tatsächlich auch durch eine semiklassische Theorie erklärt werden, in der Materie quantisiert wird, Licht jedoch als klassisches elektromagnetisches Feld betrachtet wird. Zu den so erklärbaren Phänomenen zählen beispielsweise die Existenz einer Schwelle im photoelektrischen Effekt, der Zusammenhang zwischen der Energie des emittierten Elektrons und der Frequenz der Welle, die Gruppierung der Photoelektronen in einem Interferometer Hanbury Brown und Twiss sowie die Poissonian Statistics of Accounts. Entgegen der landläufigen Meinung ist der photoelektrische Effekt also nicht der absolute Beweis für die Existenz des Photons (obwohl einige Experimente zum photoelektrischen Effekt nicht mit einer semiklassischen Theorie erklärt werden können).
Comptons Experiment gibt dem Photon eine greifbarere Existenz, da letzteres zeigt, dass die Diffusion von Elektronen durch Röntgenstrahlen gut erklärt wird, indem man dem Photon das von Einstein vorhergesagte Drehmoment zuschreibt. Dieses Experiment markiert eine entscheidende Phase, nach der die Hypothese von Lichtquanten die Zustimmung der Mehrheit der Physiker gewinnt. In einem letzten Versuch, die kontinuierliche Variation der elektromagnetischen Energie zu speichern und mit Experimenten kompatibel zu machen, entwickeln Bohr, Kramers und Slater ein Modell, das auf zwei drastischen Annahmen basiert:
Genauere Compton-Streuexperimente zeigen jedoch, dass Energie und Impuls während Elementarprozessen außerordentlich gut erhalten bleiben und dass der Elektronenrückstoß und die Erzeugung eines neuen Photons während der Compton-Streuung innerhalb von 10 ps einer Kausalität gehorchen. Infolgedessen geben Bohr und seine Mitarbeiter ihrem Modell "eine möglichst ehrenhafte Beerdigung" . An der theoretischen Front schafft es die von PAM Dirac erfundene Quantenelektrodynamik , eine vollständige Theorie der Strahlung - und Elektronen - zu geben, die den Welle-Teilchen-Dualismus erklärt . Seit dieser Zeit und insbesondere dank der Erfindung des Lasers haben Experimente immer direkter die Existenz des Photons und das Scheitern halbklassischer Theorien bestätigt. Insbesondere ist es möglich geworden, das Vorhandensein eines Photons zu messen, ohne es zu absorbieren, und damit direkt die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes nachzuweisen, so dass Einsteins Vorhersage als bewiesen gilt .
Nobelpreise im Zusammenhang mit dem Begriff des Photons:
Das Photon hat keine elektrische Ladung , genauer gesagt sind die Experimente mit einer elektrischen Ladung von weniger als 1 × 10 −35 e kompatibel (alte Maximalschätzungen: 5 × 10 −30 e). Ein Photon hat zwei mögliche Polarisationszustände und wird durch drei kontinuierliche Parameter beschrieben: die Komponenten seines Wellenvektors , die seine Wellenlänge λ und seine Ausbreitungsrichtung bestimmen. Photonen werden bei mehreren Prozessen emittiert, zum Beispiel wenn eine Ladung beschleunigt wird, wenn ein Atom oder Kern von einem hohen Energieniveau auf ein niedrigeres Niveau springt oder wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen vernichten. Photonen werden im umgekehrten Prozess absorbiert, beispielsweise bei der Herstellung eines Teilchens und seines Antiteilchens oder bei atomaren und nuklearen Übergängen auf hohe Energieniveaus.
Ein Photonenfluss ist in der Lage, die Geschwindigkeit materieller Objekte zu verändern (Beschleunigung von Teilchen, Atomen, Molekülen, ...). Die Impulserhaltung impliziert dann, dass ein Photon einen Impuls ungleich Null hat.
Das Photon ist jedoch masselos . Die Experimente sind kompatibel mit einer Masse von weniger als 10 −54 kg , d. h. 5 × 10 −19 eV / c 2 (frühere Schätzungen legten die Obergrenze bei 6 × 10 −17 eV / c 2 und 1 × 10 −18 eV / c . fest 2 ); es wird allgemein angenommen, dass das Photon keine Masse hat.
Die klassische Definition des Impulses (Produkt aus Masse und Geschwindigkeit) scheint also in einen Widerspruch zu führen. Die Erklärung ist, dass im relativistischen Rahmen nicht mehr streng genommen die Energie und der Impuls getrennt konserviert werden, sondern ein abstrakteres Objekt, das sie kombiniert, das Quadri-Moment . In der speziellen Relativitätstheorie zeigen wir, dass die Beziehung zwischen der Energie , dem Impuls und der Masse eines Teilchens geschrieben wird: (wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist). Für ein Photon der Masse Null (und damit der Geschwindigkeit in allen Bezugssystemen) haben wir also die einfache Beziehung: E = c • p (überdies gilt für jedes Teilchen ohne Masse); der so definierte Impuls p (und gleich sein , wobei die Planck-Konstante und die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung sind) verhält sich wie der klassische Impuls, beispielsweise bei der Berechnung des Strahlungsdrucks . Eine detailliertere Analyse dieser Rechnung (und ihrer Konsequenzen auf die Variation der Wellenlänge des Photons während einer inelastischen Kollision) findet sich im Artikel Compton-Streuung .
Das Photon hat auch einen von seiner Frequenz unabhängigen Spin , der gleich 1 ist, was a priori drei Werte für seine Projektion zulässt : -1, 0 und 1. Der Wert 0 wird jedoch von der Quantenfeldtheorie verboten . wegen der Nullmasse des Photons. Die Amplitude des Spins ist und die in Ausbreitungsrichtung gemessene Komponente, die als Helizität bezeichnet wird , sollte sein . Die zwei möglichen Helizitäten entsprechen den zwei möglichen Zuständen der zirkularen Polarisation des Photons (im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn). Wie im klassischen Elektromagnetismus entspricht eine lineare Polarisation einer Überlagerung zweier Zustände entgegengesetzter Helizität.
Das Photon kann charakterisiert werden durch:
Wir finden auch die Energie reduziert durch und ausgedrückt in , durch und ausgedrückt in oder dimensionslos durch .
Das erste Bild, das wir von dem Photon haben, ist die „Lichtkugel“, das Licht würde aus Körnern bestehen, die sich mit 299.792.458 m / s ( Lichtgeschwindigkeit ) fortbewegen würden .
In diesem Modell wird ein gegebener Lichtenergiestrom in Kugeln zerlegt, deren Energie von der Wellenlänge λ abhängt und gleich h ist . c / λ . Bei monochromatischem Licht (dh dessen Spektrum auf eine einzige Wellenlänge reduziert ist) besteht der Energiefluss also bei großer Wellenlänge aus vielen "weichen" Kugeln (auf der roten Seite) oder aus wenigen "harten" Perlen, wenn die Wellenlänge klein ist (auf der blauen Seite) - die Kennzeichner "weich" und "hart" beziehen sich auf die Menge an elektromagnetischer Energie , die sie enthalten.
Besteht Licht aus mehreren Wellenlängen, so setzt sich der Energiefluss aus Perlen unterschiedlicher „Härte“ zusammen.
Diese nach gegenwärtigen Standards vereinfachende Ansicht erlaubt keine korrekte Erklärung aller Eigenschaften des Lichts.
Das Photon ist ein Konzept zur Erklärung der Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie. Wie bei den anderen Elementarteilchen hat es einen Welle-Teilchen-Dualismus . Wir können nur im Moment der Wechselwirkung von einem Photon als Teilchen sprechen. Abgesehen von jeglicher Wechselwirkung wissen wir nicht - und wir können nicht wissen - welche "Form" diese Strahlung hat. Wir können uns das Photon im Rahmen dieser Dualität intuitiv als Punktkonzentration vorstellen, die sich erst zum Zeitpunkt der Wechselwirkung bildet, sich dann ausbreitet und bei einer weiteren Wechselwirkung wieder formiert. Wir können daher nicht von "Lokalisierung" oder "Trajektorie" des Photons sprechen, ebenso wenig wie von "Lokalisierung" oder "Trajektorie" einer Welle.
Tatsächlich können wir das Photon nur als Quantenteilchen sehen, dh als mathematisches Objekt, das durch seine Wellenfunktion definiert ist, die die Anwesenheitswahrscheinlichkeit angibt. Es wird im Allgemeinen die Form eines Wellenpakets haben. Diese Wellenfunktion und die klassische elektromagnetische Welle stehen in enger Beziehung, verschmelzen aber nicht.
Somit hat die elektromagnetische Welle, also der Wert des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes in Abhängigkeit von Ort und Moment ( und ), also zwei Bedeutungen: