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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Was ist ein Photon?


Verwirrter
11.07.07, 21:00
Ein Photon ist ein Quant, richtig?
Die kleinste Energieeinheit, unteilbar, ja?

Nun gibt es Licht in X Wellenlängen, also Photonen, die offenbar unterschiedliche Energien sind/tragen (wie auch immer). Ein Photon mit 10THZ hat doch mehr Energie als eines mit - sagen wir o,ooo1 HZ. Auf einer Seite harte Gamma-strahlung (unendlich steigerbar?), auf der anderen Seite - was?

Wie passt das zusammen?

Anschlußfrage:

Wie muß ich mit eine EMW (oder ein einzelnes Photon) mit Null Komma soundsoviel Hertz vorstellen? Was kann man messen?
Die tiefsten Frequenzen, die ich kenne, sind ULFs für die U-Boot Kommunikation...

Danke für (Laiengerechte) Antworten...

Hamilton
11.07.07, 21:18
Ein Photon ist ein Modell für Licht.
So wie es für bestimmte Situationen ausreicht eine Karte im Maßstab 1:200000 zu haben auf der nur Autobahnen und Bundesstraßen eingemalt sind und andere Situationen, wo man am liebsten eine 1:100 Detailkarte vom Einkaufszentum hätte, gibt es auch in der Physik verschiedene Modelle, die ein und das selbe Ding aus der Realität beschreiben. (in diesem Fall die Welt an sich)

Licht ist Realität, Photonen, EM-Wellen oder wasweißich sind Modelle. Jedes Modell hat seine Grenzen und bevorzugte Anwendungsgebiete.

Photonen eignen sich gut um sichtbares Licht, UV, Röntgen und Gammastrahlung zu beschreiben.
Gewisse Versuche, wie z.B. der Einsteinsche Photoeffekt verlangen nach einer Teilchen/Quantenbeschreibung.

Rotes Licht, Radiowellen u.s.w. beschreibt man bevorzugt klassisch mit EM-Wellen. Nichtsdestotrotz kann man beide Modelle auch für ungeeignete Skalen verwenden, der Erkenntnisgewinn ist meist nicht sehr hoch und oft wird es dann auch falsch.

Verwirrter
11.07.07, 22:12
Danke, aber was ist dann bitte ein Quant? Ich habe mich gelehrt, daß ein Quant die absolut unteilbare Energieeinheit (Ding, das zur Übermittlung von irgendwas fähig, resp. geeignet ist) ist (sein soll). Quant=Photon, ja?
Wieso gibt es dann noch Unterschiede? Dicke und dünne Quanten? Also, bitte... Ich kenne die Heisenbergsche Länge und Zeit. Gibt auch die Heisenbergsche Energie?

Die Teilch-sichtweise ist legitim, oder?
Ich kann mir ohne weiteres ein Gammastrahlen "Ding=Photon" vorstellen.
Aber ich kann mir kein 1 hoch -x HZ Ding vorstellen, das durch die Gegend fliegt.

P.S.: Die Frage steht bewußt im Schulforum, das ist mein Niveau (+ein paar Bücher)

Hamilton
12.07.07, 10:37
Tja es gibt bestimmt viele Meinungen, was ein Quant ist...
Wenn ich es jetzt erkläre, dann gibt das nur mein Verständnis davon wieder.

Ein Quant ist ein Objekt für das die Gesetze der Quantenmechanik gelten.
Die gelten zwar grundsätzlich für alle Objekte, aber für den Grenzfall viele Teilchen und große Massen, gilt die "normale" klass. Mechanik.

Ein Quant ist also ein Teilchen, das eine kleine Masse also so was <10^-20 kg
hat und eine ebenfalls kleine räumliche Ausdehnung. In der Mechanik sowie Quantenmechanik betrachtet man gern Punktmassen.

Mit der Unteilbarkeit ist das so:
In einem Quantensystem, das normalerweise aus einem Teilchen(Quanton) in irgendeinem Potential besteht (siehe SGL ganz oben auf der Seite, da steht im Grunde nur E= E_kin + E_pot, wobei im QM-Sinne E = -ih dt und E_kin = p²/2m, mit p(x) = -ih dx und E_pot = V(x) ist), sind oftmals nur diskrete Energiezustände erlaubt. D.h. anders als in der Mechanik, wo ein Teilchen jede beliebige Energie annehmen kann, weil es jede beliebige Geschwindigkeit annehmen kann, gibt es in der QM oft nur abzählbare Energieniveaus in dem sich das System befinden kann. Im Wasserstoffatom z.B. sind diese Energieniveaus etwa -13,6eV * 1/n², wobei n=1,2,3,4....
Man sagt dann die Energie ist Quantisiert. Das H-Atom kann ein "passendes" Photon, also eines mit der Energie von E=E1-E2 absorbieren und in den Zustand mit der Energie E2 wechseln, vorrausgesetzt natürlich, es war vorher in E1.
So kommen auch die Linien im Spektrum zustande.

Deine Vorstellung von Quant "Ding, das zur Übermittlung von irgendwas fähig, resp. geeignet ist) ist (sein soll)"
geht eher in die Richtung Austauschteilchen. Das ist es aber nicht, das ist eher speziell und hat mehr mit dem Gebiet Elementarteilchen/Standardmodell zu tun.

richy
14.07.07, 03:54
Hi
Frequenz der EM Welle entspricht dem Impuls des Photons. E=h*f
Amplitude der EM Welle entspricht der Anzahl der Photonen
Immer noch verwirrt ? :-)

JGC
14.07.07, 11:07
Ich habs....


Ein Photon ist ein bestimmtes, energiegeladenes Raumvolumen, das durch seine Eigenschwingung entsprechend seiner Grösse entsprechend frequentielle EM-Wellen abstrahlen kann..

Wäre so eine Beschreibung korrekt??

Sie würde sich nicht darum scheren müssen, warum
Mikrowellenphothonen "Sandkorngrösse" aufweissen und Radiowellen "Planetengrösse" und noch viel grösser aufweisen können...

In ihr würde nur das verkörperte Energiepotential zählen...

JGC

Hamilton
14.07.07, 13:02
.. p = ħk
E ist Energie nicht Impuls...

Hamilton
14.07.07, 13:12
nein ist es definitiv nicht
EM-Welle und Photonen sind zwei Seiten einer Medallie.

Ein Photon ist vielmehr sowas wie das Pendant des Phonons im Vakuum.
In der Festkörperphysik beschreibt man einen Festkörper durch ein unendlich ausgedehntes 3d-Gitter mit Atomen an den Gitterpunkten. Jedes Atom befindet sich im Austausch mit seinen nächsten Nachbarn und erfährt noch ein Hintergrundpotential, was eine Näherung für alle anderen Atome des Gitters darstellt.
In so einem System können Schwingungen oder Schockwellen, die sich durch das Gitter ausbreiten durch Phononen beschrieben werden. Phononen sind Quasiteilchen und gehören zu den Bosonen.

Also Wellenausbreitung kann mitunter gut durch Teilchenausbreitung beschrieben werden.

Weiterführende Hinweise: Googlen nach QFT/QED!

richy
14.07.07, 13:32
E ist Energie nicht Impuls...
Energie des Photons: E=m*c^2=p*c, p=Impuls=m*c
Zusammenhang zur Frequenz:
p*c=h*f, meinetwegen noch c=lambda*f
Das war doch das Verstaendnisproblem oder ?
Wie sieht man einem Photon die Frequenz der EM Welle an ? An seinem Impuls.
Wie sieht man Photonen die Amplitude der EM Welle an ? An deren Anzahl.

Oder nicht ?

Hamilton
14.07.07, 13:50
m ist für Photonen aber 0. (bei E=mc² ist m die Ruhemasse)
dein Zusammenhang stimmt aber trotzdem (ist äquivalent zu p = ħk)
k ist Wellenzahl = 2pi/lambda

richy
14.07.07, 15:57
und was waere die genaue Bergruendung, dass ich hier fuer die Energie E=m*c^2 setzen darf ?

JGC
15.07.07, 11:17
Hallo Hamilton und @ all


zu:

EM-Welle und Photonen sind zwei Seiten einer Medallie.

Ein Photon ist vielmehr sowas wie das Pendant des Phonons im Vakuum.
In der Festkörperphysik beschreibt man einen Festkörper durch ein unendlich ausgedehntes 3d-Gitter mit Atomen an den Gitterpunkten. Jedes Atom befindet sich im Austausch mit seinen nächsten Nachbarn und erfährt noch ein Hintergrundpotential, was eine Näherung für alle anderen Atome des Gitters darstellt.
In so einem System können Schwingungen oder Schockwellen, die sich durch das Gitter ausbreiten durch Phononen beschrieben werden. Phononen sind Quasiteilchen und gehören zu den Bosonen.

Also Wellenausbreitung kann mitunter gut durch Teilchenausbreitung beschrieben werden.

Zum ersten...

Photonen und Wellen sind tatsächlich 2 verschiedene Dinge, aber auf keinen Fall die 2 Seiten ein und der selben Medallie!

Warum??

Wellen sind dynamische Ausbreitungsvorgänge, wärend ein energiegeladenes Wirkvolumen(photonische Betrachtung des Volumens) nur ein statisch gespeichertes, dynamisches Bewegungspotential aber wiederum einer eigenen Bewegungsgeometrie folgen können(Photonentransport)

So gesehen sind eigentlich die Photonen nur ein theoretisches Produkt, mit der die jeweiligen Energien und deren jeweiligen Ausbreitungsprinzipien beschreibbar werden..


zum 2.


Ich versuch das mal näher an einem Bild zu erläutern...

http://www.clausschekonstanten.de/schau/Bewz-org.jpg


Dieses Gebilde soll nun das photonische Prinzip verkörpern(das Männchen ignoriert einfach mal..)

So ein Raumvolumen, innerhalb dessen eine Energie gespeichert, bzw. übertragen werden kann braucht bestimmte Vorraussetzungen, um eben genau diese Energien speichern zu können und um sie übertragbar zu gestalten..

Jetzt seht mal das Bild an...

Zuerst mal zeichnet es sich durch drei im jeweils 90° Winkel zueinander gestellte Querschnittsflächen(Wirkquerschnitte) aus..(die theoretisch in allen Richtungen frei im Raum drehbar auftreten können)
Diese Flächen können plan-schwingenderweise Resonanzen ausbilden und emittern dabei transversale Wellenerscheinungen..

Zusätzlich zeichnet sich das photonische Konstrukt noch damit aus, das es eine fest definierte, zu einem bestimmten Grade gekrümmte Kugeloberfläche beschreibt, die ein bestimmtes Raumvolumen beinhaltet, welches ebenso in Schwingung und Resonanz treten kann(nur mit dem Unterschied, das diese Raumkugel als Ganzes in Form von longitudinalen Dichteschwankungen schwingen kann)

Diese gekrümmten Kugeloberflächen strahlen also 3dimensional in allen Richtungen gleichzeitig radiale Druckwellen ab... (die entsprechend der möglichen Resonanzfrequenzen auf der Kugeloberfläche jeweils das entsprechende Beugungsmuster liefert)

siehe Bild...

beugestrukturen des Lichtes (http://www.clausschekonstanten.de/leben/schau/molbeugstr.jpg)

Und die daraus sich ergebenden Konsequenzen( durch die im Normalfall stetig fortlaufende Veränderungen der jeweiligen energetischen Gleichgewichte/Geometrien) verändern sich dabei ihre Abstrahl-Charakteristiken, so wie auch deren möglichen Frequenzbereiche, welche ich in den folgenden Animationen darzustellen gedachte...

Beugemuster1 (http://www.clausschekonstanten.de/schau/lochmuster.gif)

Beugemuster2 (http://www.clausschekonstanten.de/schau/lochmuster_1.gif)

Des weiteren wird so klar, das die Frequenz der Kugeloberflächenschwingungen entscheiden, wie gross denn nun so ein Photon werden kann...

Hohe Frequenzen prägen kleine Photonenerscheinungen und niedrige Frequenzen prägen grosse Photonenerscheinungen aus, welche meiner Ansicht nach damit zusammenhängen, das jedes photonische Erscheinungsgebilde durch seine Primzahligkeit definiert wird, welche jedem Photonengebilde eine bestimmte Grösse zuweist, an der es mit dem geringsten Potential am meisten Energie übertragen kann, welche eben durch die entsprechenden Stehwellenfunktionen beschrieben werden, die bei entsprechenden Rückkoppelfrequenzen auftreten..

Ich hatte diese Diskussion schon mal mit Richy, doch hab ich es wohl nicht richtig erklären können was ich ihm begreiflich machen wollte..

Eine Kugeloberfläche(wie auch jede andere Fläche mit einer bestimmten geometrisch orientierten Form) kann nur in den Frequenzen schwingen, deren Teilbarkeiten innerhalb der entsprechenden Fläche auch enthalten sind...
(eine Lamda/halbe Welle kann kein Objekt zum Schwingen anregen, deren geometrische Struktur nur Lamda/3/4 Wellen erlauben)

Diese Primzahlverhältnismäßigkeiten entscheiden nämlich letztlich, wie gross so ein Photon bzw. ein elementares Wirk-Quantum werden kann(was damit aufräumt, das ein Wirkquantum nur eine einzige elementare Grösse besitzen kann, sondern in mindestens allen primzaligen Grössenordnungen auftreten können!

(Dies ist meiner Ansicht nach die Ursache des inzwischen so vielfältig aufgetretenen Teilchezoos, der meiner Meinung nach beim neuen Colliderexoeriment bestimmt noch um ein-zwei Stufen vergrössert werden wird)

Gut! Ich hoffe, das in etwa verständlich war, worauf das Ganze meiner Ansicht nach hinausläuft...

Schönen heissen Tag noch...........JGC

Hamilton
15.07.07, 11:42
Machst Du ja eigentlich gar nicht.

Du sagst E=mc² und weil p=mv und v ist hier c, gilt
E=p*c
Naja, aber p ist nicht mv, wenn man relativistisch arbeitet.
p = gamma m v
und da gibt's ein problem, denn gamma ist für v=c unendlich und m ist 0.

Wenn man das so macht wie du, geht man davon aus, dass die Masse zunimmt, was ja auch zu korrekten Ergebnissen führt, aber irgendwie unelegant ist. (Das ist aber geschmacksache, ich mag es nicht und kann nur empfehlen das zu lassen und lieber mit den SRT-Formeln zu arbeiten)

Korrekt müsste man das meiner Meinung nach so machen:

Die Energie-Impulsbeziehung lautet
E^2 = p^2 * c^2 + m^2 * c^4
und da Photonen keine Masse haben -> m = 0
bleibt übrig:
E²=p²c² und das heißt E = +- p*c
und ab da stimmts wieder.

Verwirrter
15.07.07, 13:31
Sorry, ich bin etwas schwer von Begriff... Aus dem bisher Gesagten geht hervor, dass ein Photon etwas Abstraktes ist. Das ist für mich nachvollziehbar, solange ich es als Welle sehe. Das ist ja Schulwissen achte Klasse, die klassische Optik. Jetzt finde ich aber Teilchen schöner. Wegen des Dualismus, sollte es doch kein Problem sein, ein PhotonenTEILCHEN plastisch darzustellen, ohne z.B. Tennisbälle als Vergleichsobjekte zu gebrauchen. Mein Problem(chen):

Ein Versuch: Ich habe eine Quelle, sagen wir, eine rote Lampe. Die sendet genau ein Photon = ein TEILCHEN je Sekunde in Richtung meines Detektors, der entsprechend regelmäßig Ping macht. Das ist soweit einfach. Jetzt ändere ich die Frequenz der Lampe von rot auf blau. Das emitierte Licht ist also energiereicher, die Wellenlänge kürzer. Der Detektor macht weiterhin Ping. Und da setzt es bei mir aus:

Soweit ich weiß, ist ein Photon vom anderen grundsätzlich ununterscheidbar ('kennste eins, 'kennste alle). Spin oder Polarisationsrichtung lasse ich dabei außen vor. Beim Auftreffen auf dem Detektor müßte es doch ganz egal sein, was für eine Frequenz oder Amplitude die EMW hat, da das Teilchen doch immer mit c "einschlägt". Der Impuls muß auch bei 0 liegen, wegen m=0. Das ist ja offenbar falsch....

Also, wie unterscheidet man rote und blaue TEILCHEN, ohne daß man das Wellenbild bemühen muß? Oder besitzt das Photon die Eigenschaft "Farbe" nur, wenn es eine EMW ist? Wo denke ich falsch?

quick
15.07.07, 15:03
Hallo Verwirrter,

Aus dem bisher Gesagten geht hervor, dass ein Photon etwas Abstraktes ist. Das ist für mich nachvollziehbar, solange ich es als Welle sehe.

.. Wenn Du das im Geiste sehen kannst, hast Du ein beneidenswert gutes räumliches Vorstellungsvermögen.

Soweit ich weiß, ist ein Photon vom anderen grundsätzlich ununterscheidbar ('kennste eins, 'kennste alle).

Vielleicht nicht unterscheidbar, wenn man nur die "Form" als Kriterium heranzieht. Aber, wie Du selbst richtig bemerkst, gibt es einen Unterschied in der Energie, den man messen (wahrnehmen) kann.

Beim Auftreffen auf dem Detektor müßte es doch ganz egal sein, was für eine Frequenz oder Amplitude die EMW hat, da das Teilchen doch immer mit c "einschlägt". Der Impuls muß auch bei 0 liegen, wegen m=0. Das ist ja offenbar falsch....

Ich würde sagen, das kommt ganz auf die Empfindlichkeit des Detektors an und ob er nur Einschlagsereignisse zählen soll und/oder die Energie.
Die Impulsänderung (von v=c auf v=0) ist das, was die Wirkung im Detektor erzeugt.

Oder besitzt das Photon die Eigenschaft "Farbe" nur, wenn es eine EMW ist? Wo denke ich falsch?

Da man von Photonen immer nur etwas durch ihre (Aus-)Wirkungen erfährt,
kannst Du Deiner Phantasie freien Lauf lassen. Entsprechend Deinem Kenntnisstand wird sich eine für Dich brauchbare Vorstellung entwickeln.

mfg
quick

Marco Polo
15.07.07, 16:06
Hallo Hamilton,

E²=p²c² und das heißt E = +- p*c

da negative Gesamtenergien nicht auftreten, sollte es da nicht heissen: E=|p|c ?

Allerdings gibt es ja die Möglichkeit im Energie-Impuls-Diagramm bspw. die Wechselwirkung darzustellen, wenn z.B. ein Photon mit einem Elektron zusammenstösst.

Teilchen ohne Ruheenergie liegen dort auf einer Ursprungsgeraden E/c=+-p. Wie sollte man sonst graphisch die Vektorsumme der Energie-Impuls-Vektoren bilden können, wenn beide Teilchen aus unterschiedlichen Richtungen kommen?

Grüssle,

Marco Polo

Hamilton
15.07.07, 16:51
da negative Gesamtenergien nicht auftreten, sollte es da nicht heissen: E=|p|c ?

jo, das stimmt natürlich..

quantom
26.08.07, 19:31
Sorry, habe gerade erst die Diskussionsserie geöffnet:

Aus den Strahlungsmessungen von Kirchhoff (ca. 1860) ergab sich die spektrale Verteilung einer Schwarzen Strahlung. Für die Energiedichte der Strahlung, die sich aus diesen Messungen ergab, konnten Kirchhoff, Wien und Rayleigh-Jeans theoretische Verteilungen angeben, die aber jeweils nur für einen begrenzten Spektralbereich mit den Messungen übereinstimmten.

Etwas später (etwa 1900) gelang es Planck durch raffinierte Interpolation zwischen der Hochfrequenzseite der Wien-Formel und der Niederfrequenzseite der Rayleigh-Jeans-Formel, eine Gleichung anzugeben, die die experimentellen Verteilungen für den gesamten Spektralbereich genau wiedergab.

Dies gelang ihm jedoch nur durch Verwendung eines diskreten Energiewertes, korrekter gesagt "Wirkungswertes", des Planckschen Wirkungsquantums h = 6,63'-27 erg.sec.

Der großartige und uneingeschränkte ERfolg seiner Formel veranlaßte Planck nach dem eigentlichen Grund zu forschen, denn bisher hatte er das Ganze ja nur heuristisch abgeleitet. Er fand eine andere Herleitung seiner formel unter folgender Annahme:

Die in jedem Schwingungsmode des elektromagnetischen Feldes steckende Energie ist nicht kintinuierlich veränderbar, sondern sie ist ein ganzzahliges Vielfaches eines kleinsten Energiequantums e. Über die Boltzmannsche Wahrscheinlichkeitsverteilung in einemn System der Gleichgewichtstemperatur und der Annahme unveränderter Anzahl von Moden erhielt Planck für die Energie der Atome in der Hohlraumwand, die verantwortlich war für die Aussendung der o. g. Schwarzen Strahlung, die Aussage: diese Strahlung muß in Quanten der Energie e = h.nü abgegeben werden. Ein Strahlungsquant ist also soetwas wie ein Paket von h, die mit der Frequen nü agegeben werden.

Abseits des quantentheoretischen Formalismus, der hier natürlich das Sagen hat, stelle ich mir das Photon naiverweise so vor, als ob mir ein Paket entgegenkommt, in dem eine entsprechende Anzahl von Wirkungsquanten h gleichphasig, sozusagen im Einheitsschritt, mit einer gewissen Schrittfrequenz nü entgegenstrampelt. Die bringen auf diese Weise die Energie heran, mit der Frequenz nü. Für unterschiedliche Photonen strampeln die unterschiedlich schnell innerhalb des Vereins.

Da das Ding mit Lichtgeschwindigkeit daherkommt, muß für die Energie-Impuls-Beziehung das sog. Relativistische Dreieck bemüht werden. Aber das wurde in den bisher erfolgten Beiträgen ja schon gesagt.

Die Strampler können nun auch noch in einer bestimmten Richtung ausgerichtet werden (Polarisation) usw.

Gruß

Eyk van Bommel
26.08.07, 22:01
Die sendet genau ein Photon = ein TEILCHEN je Sekunde in Richtung meines Detektors, der entsprechend regelmäßig Ping macht.

So wie ich es verstanden habe, macht der Takt die Farbe ;)

Also du kannst nicht ein Photon in einer bestimmten Zeit abgeben und dann sagen es hat diese Farbe. In diesem Fall würde die „Ping-rate“ mit steigender Wellenlänge steigen. Die Frage ist nur ob du einen Detektor bauen kannst der den Unterschied zwischen 1 und 5 Photonen mit geringem Abstand, merken würde

Da aber Licht werde Welle noch Teilchen ist, kannst du hier nur Grenzbereiche betrachten.

Kleine Gutenachtgeschichte nötig?
Dann lasse dir von mir die Geschichte eines Affrika-Reisenden erzählen der vor langer Zeit von seiner Reise aus Afrika zurück nach Europa kam und den Leuten zuhause erklären wollte was ein Nashorn ist. Da sich die Menschen hier sich einfach nicht vorstellen konnten wie es aussieht, zeichnete er einen Drachen und ein Einhorn auf und meinte „Stellt euch eine Mischung aus beidem vor!“. Beides waren Fabelwesen mit deren Hilfe er ein reelles Objekt beschrieben hat. Welle und Photon sind zwei physikalische „Fabelbeschreiungen“ eines reellen Objektes, getrennt gesehen existieren aber beide nicht!

Gut er hätte ein Nashorn zeichnen können:rolleyes: , aber dann wäre es keine Gutenachtgeschichte geworden und wir hätten alle nichts daraus gelernt. :D