Photonen

Licht kann mit den Modellen Lichtstrahl und Lichtwelle beschrieben werden. Wir wissen heute auch, dass man Licht als einen Strom von winzig kleinen Energieportionen, den Photonen, auffassen kann (Bild 1). Entwickelt wurde diese Vorstellung von einem der berühmtesten Physiker des 20. Jahrhunderts, ALBERT EINSTEIN (1879-1955), im Jahr 1905. Die betreffende Theorie wird als Photonentheorie des Lichtes bezeichnet.

Wie entstehen Photonen?

Die Aussendung von Licht ist mit Vorgängen in den einzelnen Atomen verbunden. Wird einem Körper und damit auch seinen Atomen Energie in Form von Licht oder Wärme zugeführt, so gelangen Außenelektronen in einen energetisch höheren Zustand (Bild 2a). Das kann man auch in einem Energieniveauschema darstellen (Bild 3), bei dem der energetische Zustand der Hüllenelektronen dargestellt wird: Durch Energiezufuhr gelangen Elektronen auf ein höheres Energieniveau, also in einen energetisch höheren Zustand.

In diesem höheren Energiezustand bleiben die Elektronen aber nicht. Vielmehr springen sie ohne äußere Beeinflussung innerhalb kürzester Zeit (ca. innerhalb von10 Milliardstel Sekunden) in den Ausgangszustand zurück. Dabei geben sie die Energie, die sie vorher aufgenommen haben, in Form von Licht wieder ab. Von einem Atom werden einzelne Photonen oder Lichtquanten abgegeben. Da diese Vorgänge bei vielen Atomen erfolgen, entsteht ein Strom einer sehr großen Anzahl von Photonen, die wir als Licht wahrnehmen.

Welche Eigenschaften haben Photonen?

Photonen bewegen sich stets mit Lichtgeschwindigkeit . Ruhende Photonen gibt es nicht. Jedes Photon besitzt eine bestimmte Energie, wobei gilt:
Die Energie eines Photons ist umso größer, je größer seine Frequenz ist.
Da blaues Licht eine etwa doppelt so große Frequenz wie rotes Licht besitzt, gilt: Blaues Licht hat eine etwa doppelt so große Energie wie rotes Licht. Allgemein gilt für die Energie von Photonen :
$\begin{array}{l}E=h\cdot f\\ h\text{plancksches Wirkungsquantum}\\ f\text{Frequenz}\end{array}$

Nach der einsteinschen Beziehung $E=m\cdot c^2$ sind Energie und Masse äquivalent. Kennt man die Energie eines Photons, so kann man ihm nach der genannten Beziehung auch eine Masse zuordnen. Wie die Energie hängt die Masse von der Frequenz ab. Für die Masse von Photonen gilt:

$\begin{array}{l}m=\frac{E}{c^2}=\frac{h\cdot f}{c^2}\\ E\text{Energie}\\ c\text{Lichtgeschwindigkeit}\\ h\text{plancksches Wirkungsquantum}\\ f\text{Frequenz}\\ \text{Mit der Beziehung}c=\lambda \cdot f\text{bzw}\text{.}f=\frac{c}{\lambda }\text{erhält man:}\\ m=\frac{h}{c\cdot \lambda }\\ h\text{plancksches Wirkungsquantum}\\ c\text{Lichtgeschwindigkeit}\\ \lambda \text{Wellenlänge}\end{array}$

Da sich Photonen stets mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, gibt es keine ruhenden Photonen und denzufolge auch keine Photonen mit einer Ruhemasse.

Photonen haben auch einen Impuls, der sich formal aus Masse und Geschwindigkeit ergibt. Der Impuls von Photonen kann folgendermaßen berechnet werden:

$\begin{array}{l}p=\frac{E}{c}\\ \text{Mit}E=h\cdot f\text{erhält man:}\\ p=\frac{h\cdot f}{c}\\ \text{und mit}f=\frac{c}{\lambda }\text{die Formulierung:}\\ p=\frac{h}{\lambda }\end{array}$

Bei einer Reflexion oder einer Absorption erzeugen Photonen wegen ihres Impulses einen Druck, der als Strahlungsdruck oder Lichtdruck bezeichnet wird. Den ersten experimentellen Nachweis dafür erbrachte der russische Physiker P. LEBEDEW (1866-1912) im Jahre 1901. Genauere Informationen dazu sind in dem Beitrag „Lichtmühle“ auf der CD zu finden.