Photonen (Quantisierung): Definition, Eigenschaften & Welle-Teilchen-Dualität

Licht ist wohl eines der seltsamsten Themen, mit denen ein Physikstudent konfrontiert wird. Das schnellste Ding im Universum ist irgendwie sowohl ein Teilchen als auch eine Welle – und weist gleichzeitig die einzigartigen Eigenschaften von beiden auf. Aber wasistLicht?

Verstehen wasPhotonensind und wasQuantisierungMittel ist grundlegend für das Verständnis der Natur des Lichts, der Quantenphysik und unzähliger verwandter Phänomene.

Photonen sind die formale Bezeichnung für Lichtteilchen. Sie können für den Menschen sichtbar sein oder nicht, da hier der BegriffLichtwird im physikalischen Sinne verwendet, was bedeutet, dass ein Photon ein Teilchen elektromagnetischer Strahlung mit einer beliebigen Frequenz im Spektrum ist, von Radiowellen bis zu Gammastrahlen.

Photonen sind einquantisiertPartikel. Dies bedeutet, dass sie nur in diskreten Energiemengen existieren und nicht in irgendeiner Energiemenge dazwischen. Betrachtet man die eher chemieorientierte Beschreibung eines Photons als Energie, die beim Fallen eines Elektrons freigesetzt wird auf ein niedrigeres Energieniveau im Atom ist dies sinnvoll: Elektronen können sich nur in bestimmten Orbitalen oder Energie Ebenen. Es gibt keine Halbschritte. Wenn also ein Photon das Ergebnis eines "fallenden Elektrons" ist, darf ein Photon auch nur in bestimmten Energiemengen oder Quanten vorkommen.

Albert Einstein führte 1905 in einer Veröffentlichung den Begriff der Lichtquanten (Photonen) ein. Eine von vier Veröffentlichungen, die er in diesem Jahr veröffentlichte und die die Wissenschaft revolutionierte, war die Idee, die ihm den Nobelpreis einbrachte.

Wie bereits erwähnt, bezieht sich Licht auf jede Art von elektromagnetischer Strahlung, deren Arten sich durch ihre unterschiedlichen Frequenzen (oder Wellenlängen) unterscheiden. Da diese beiden Maße charakteristisch für Wellen sind, muss Licht einElektromagnetische Welle.​

Aber warten Sie – im vorherigen Abschnitt des Artikels wurde Licht als a. eingeführtPartikel, das Photon, nicht als Welle. Das ist richtig. Die seltsame Natur des Lichts besteht darin, in der sogenannten Welle-Teilchen-Dualität zu existieren:Es ist sowohl eine Welle als auch ein Teilchen.​

Daher sind sowohl "elektromagnetische Welle" als auch "Photon" akzeptable Deskriptoren von Licht. Normalerweise wird der erste Satz verwendet, um Licht zu beschreiben, wenn es istals Welle wirkenund der letztere Term, wenn es istals Teilchen wirken​.

Dies wird in Abhängigkeit von den Phänomenen wichtig, die ein Physiker untersucht. In bestimmten Situationen und in bestimmten Experimenten verhalten sich Photonen so, wie Physiker erwarten, dass Teilchen wirken, zum Beispiel bei der Beobachtung des photoelektrischen Effekts. In anderen Situationen und Experimenten verhält sich Licht eher wie Wellen, etwa bei der Modulation eines Radiosenders.

Alles, was auf diskrete Werte beschränkt ist und nicht in einem kontinuierlichen Spektrum existiert, wird einer Quantisierung unterzogen.

Die Quantisierung in einem Atom erklärt, dass die Energiemenge, die in Form eines Photons emittiert werden kann, nur in Vielfachen der Planckschen Elementareinheitskonstantenha= 6,6262 x 10 ^-34 Joule-Sekunden

Diese Einheit, die Ende des 19. Jahrhunderts von Max Planck entdeckt wurde, ist eine der bizarrsten und wichtigsten Einheiten der Physik. Es beschreibt den Zusammenhang zwischen der Frequenz eines Wellenteilchens und seinem Energieniveau und setzt damit eine untere untere Grenze für die Sicherheit, mit der wir den Aufbau der Materie verstehen können.

Eine der größten Auswirkungen der Kenntnis dieser Grenze, die auch dazu beigetragen hat, das seltsame, aber reale Studiengebiet zu beginnen, das als bekannt ist Quantenphysik, ist, dass die Position von Teilchen auf kleinsten subatomaren Ebenen nur als a Wahrscheinlichkeit. Anders ausgedrückt, nur die Position eines subatomaren TeilchensoderGeschwindigkeit kann jederzeit mit Sicherheit bekannt sein, abernicht beide​.

Definieren der Quantenhaführen zu einer Gleichung für die Energie eines Photons:

wo energieEist in Joule (J), die Plancksche Konstantehaist in Joule-Sekunden (Js) und Frequenzfist in Hertz (Hz).

Die meisten Leute stellen sich Teilchen wahrscheinlich als winzige Einheiten von Materie vor, deren Größe ihren Massen entspricht. Dies macht die Teilchenform des Lichts zu einem besonders seltsamen Tier, da ein Photon als reine Energieeinheit null Masse hat.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Photonen ist, dass sie sich im Vakuum des leeren Raums immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ~300.000.000 m/s. Licht kann sich langsamer fortbewegen – jedes Mal, wenn es auf andere Materie trifft, interagiert es mit dieser und verlangsamt sich, so dass es umso langsamer geht, je dichter das Material ist, durch das Licht wandert. Jedoch,Nichts im Universum kann schneller als Licht reisen. Weder die schnellste Rakete noch das am stärksten beschleunigte Atomteilchen.

• Die Lichtgeschwindigkeit, ~300.000.000 m/s, ist die schnellste, die sich alles bewegen kann. Deshalb wird sie auch als Geschwindigkeitsbegrenzung des Universums bezeichnet.

Auf diese Weise ist das Verständnis des Lichts entscheidend, um die grundlegenden Grenzen des Universums selbst zu verstehen, von seinen größten bis zu ihren kleinsten.

Obwohl Licht immer gleich reistGeschwindigkeitin einem bestimmten Medium kann sie als elektromagnetische Strahlung unterschiedlicheFrequenzenoderWellenlängen. Die Frequenzen und Wellenlängen des Lichts als elektromagnetische Wellen ändern sich entlang eines Spektrums umgekehrt zueinander.

Am längsten Wellenlängen- und am niedrigsten Frequenzende befinden sich Radiowellen, danach kommen Mikrowelle, Infrarot, sichtbares Licht-, Ultraviolett-, Röntgen- und hochenergetische Gammastrahlen, jeweils mit zunehmend kürzeren und höheren Wellenlängen Frequenzen.

Physiker begannen in den 1930er Jahren zu lernen, dass die gesamte Materie im Universum aus wenigen besteht fundamentale Teilchen, bekannt als Elementarteilchen, die alle von der gleichen Menge von regiert werden fundamentale Kräfte. DasStandardmodellder Teilchenphysik ist eine Reihe von Gleichungen, die versuchen, kurz und bündig zu beschreiben, wie all diese Elementarteilchen und die Grundkräfte zusammenhängen. Licht ist ein kritischer Teil dieser universellen Beschreibung.

In der Entwicklung seit den 1970er Jahren hat das Standardmodell bisher die Ergebnisse vieler, wenn auch nicht aller, quantenphysikalischer Experimente korrekt vorhergesagt. Ein eklatantes Problem, das im Modell noch zu lösen ist, ist die Einbeziehung der Schwerkraft in den Gleichungssatz. Darüber hinaus liefert es keine Antworten auf einige große kosmologische Fragen, einschließlich der Frage, was dunkle Materie ist oder wohin die gesamte Antimaterie, die beim Urknall entstand, verschwunden ist. Dennoch ist sie weithin akzeptiert und gilt als die beste Theorie, um die grundlegende Natur unserer Existenz bis heute zu erklären.

Im Standardmodell besteht alle Materie aus einer Klasse von Elementarteilchen namensFermionen. Fermionen gibt es in zwei Arten:QuarksoderLeptonen. Jede dieser Kategorien ist weiter in sechs Partikel unterteilt, die in Paaren verbunden sind, bekannt alsGenerationen. Die erste Generation ist die stabilste, mit schwereren und weniger stabilen Partikeln in der zweiten und dritten Generation.

Die anderen Komponenten des Standardmodells sind Kräfte und Trägerteilchen, bekannt alsBosonen. Jede der vier Grundkräfte – Schwerkraft, elektromagnetische, starke und schwache – ist mit einem Boson verbunden, das die Kraft im Austausch mit Materieteilchen überträgt.

Teilchenphysiker, die an Beschleunigern arbeiten oder aus dem Weltraum nach hochenergetischen Teilchenkollisionen Ausschau halten, haben Bosonen für die drei letztgenannten Kräfte identifiziert.Das Photon ist das Boson, das die elektromagnetische Kraft im Universum trägt, dasGluonKaries die starke Kraft und dieWundZTeilchen tragen die schwache Kraft. Aber das theoretische Boson für die Schwerkraft, dasGraviton, bleibt aus.

​Schwarzkörperstrahlung.Schwarzkörper sind eine hypothetische Art von Objekten (perfekte gibt es in der Natur nicht), die die gesamte elektromagnetische Strahlung absorbieren, die auf sie trifft. Im Wesentlichen dient jede elektromagnetische Strahlung, die auf einen Schwarzen Körper trifft, dazu, diesen zu erwärmen, und die Strahlung, die er beim Abkühlen abgibt, steht daher in direktem Zusammenhang mit seiner Temperatur. Physiker können diese Näherung verwenden, um die Eigenschaften von nahezu perfekten Schwarzen Körpern im Universum wie Sternen und Schwarzen Löchern abzuleiten.

Während die Wellennatur des Lichts dabei hilft, die Frequenzen der Schwarzkörperstrahlung zu beschreiben, die ein Objekt absorbiert und emittiert, ist seine Die Teilchennatur als Photon hilft auch, sie mathematisch zu beschreiben, da die Energien, die der Schwarze Körper enthalten kann, quantisiert sind. Max Planck gehörte zu den ersten, die dieses Phänomen untersuchten.

​Das Doppelspaltexperiment.Das Doppelspaltexperiment ist ein zentraler Grundsatz der Quantenphysik und zeigt, wie ein Licht auf eine Barriere mit zwei schmalen Öffnungen ein markantes Muster aus hellen und dunklen Schatten erzeugt, das als a known bekannt istWelleninterferenzmuster​.

Das Seltsame daran ist, dass ein einzelnes Photon, das durch die Öffnung gezeigt wird, sich immer noch so verhält, als ob es andere Photonen stört, obwohl es allein und unteilbar ist. Das heißt, dass das im Experiment beobachtete Lichtmuster nicht dadurch erklärt werden kann, dass Licht nur als Photon oder Welle behandelt wird; es muss beides berücksichtigt werden. Dieses Experiment wird oft zitiert, um zu erklären, was mit der Idee des Welle-Teilchen-Dualismus gemeint ist.

​Der Compton-Effekt.Der Compton-Effekt ist ein weiteres beobachtbares Beispiel für das Wechselspiel zwischen der Wellen- und Teilchennatur des Lichts. Es beschreibt, wie Energie und Impuls erhalten bleiben, wenn ein Photon mit einem stationären Elektron kollidiert. Die Kombination der Gleichung für die Energiemenge eines Photons mit Impulserhaltungsgleichungen zeigt, dass die resultierenden Wellenlänge des austretenden Photons (des anfangs noch ruhenden Elektrons) kann durch die Wellenlänge des einfallenden Photons vorhergesagt werden, die es Energie.

​Spektroskopie.Die Technik der Spektroskopie ermöglicht es Physikern, Chemikern, Astronomen und anderen Wissenschaftlern, die materielle Beschaffenheit eines Objekt, einschließlich entfernter Sterne, einfach durch Analyse der Muster, die sich aus der Aufspaltung des einfallenden Lichts von diesem Objekt mit a ergeben, Prisma. Da verschiedene Elemente Photonen in diskreten Quanten absorbieren und emittieren, fallen die beobachteten elektromagnetischen Wellenlängen in diskrete Segmente, je nachdem, welche Elemente die Objekte enthalten.

​Masse-Energie-Äquivalenz.Viele Kinder können Einsteins berühmte Gleichung aufsagenE = mc². Kurz und bündig, die wahren Implikationen dieser Gleichung sind tiefgreifend:Masseichund EnergieEsind gleichwertigund mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ineinander umgerechnet werden können,c, quadriert. Dies impliziert wichtig, dass ein Objekt, das sich nicht bewegt, immer noch Energie hat; in diesem Fall ist esRestmengesoll gleich seinRuheenergie​.

Teilchenphysiker verwenden Masse-Energie-Äquivalenz, um einfachere Einheiten für einige ihrer Messungen zu bestimmen. Quantenphysiker suchen beispielsweise nach den Massen von Fermionen oder Bosonen, indem sie subatomare Teilchen wie Protonen und Elektronen auf. beschleunigen in riesigen Beschleunigern mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und zerschmettert sie und analysiert dann die Auswirkungen der "Trümmer" in hochempfindlichen elektrischen Arrays.

Anstatt eine Masse in Kilogramm anzugeben, wird die Teilchenmasse jedoch üblicherweise in Giga-Elektronenvolt oder GeV, einer Energieeinheit, angegeben. Um diesen Wert auf eine Masse in der SI-Einheit Kilogramm zurückzuführen, können sie diese einfache Beziehung verwenden: 1 GeV/c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.