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Quantenmechanik, Relativitätstheorie und der ganze Rest. Wenn Sie Themen diskutieren wollen, die mehr als Schulkenntnisse voraussetzen, sind Sie hier richtig. Keine Angst, ein Physikstudium ist nicht Voraussetzung, aber man sollte sich schon eingehender mit Physik beschäftigt haben.

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  #1  
Alt 05.05.18, 18:56
srmeister srmeister ist offline
Newbie
 
Registriert seit: 02.05.2018
Beiträge: 4
Standard Photonenwelle

Hallo,
wie kann man eigentlich eine EM-Welle verstehen, die nur von einem einzelnen Photon erzeugt wird?
Ich kenne mich mit der Wellenmechanik so garnicht aus, aber müsste die Emission eines Photons nicht eine einzelne Wellenberg-Wellental-Abfolge(Also quasi eine stark gedämpfte Schwingung) im EM-Feld zur Folge haben und danach ist wieder Ruhe? Also keine "kontinuierliche" Welle sondern einmalige Schwingung? Sonst gäbe es ja mehrere mögliche Zeitpunkte der Absorption(Wechselwirkung)?

Und am Empfänger gibt es ja quasi 2 Möglichkeiten das Photon zu absorbieren: Einmal am Wellenberg und einmal am Wellental, oder liege ich da falsch? Oder ist ein Photon nur ein Wellenberg oder ein Wellental?
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  #2  
Alt 05.05.18, 20:02
Bernhard Bernhard ist offline
Moderator
 
Registriert seit: 14.06.2017
Beiträge: 700
Standard AW: Photonenwelle

Hallo SRMeister,

das EM-Feld eines einzelnen Photons kann man erstmal als Halbwelle, d.h. als einzelnen Peak annehmen. Die Details dazu hängen aber vom Entstehungsprozess ab. Siehe z.B. Spontaneous emission of a photon: Wave-packet structures and atom-photon entanglement ursprünglich von diesem Thema: http://quanten.de/forum/showthread.php5?t=3287

Herzlich Willkommen im Forum.
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Freundliche Grüße, B.
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  #3  
Alt 05.05.18, 22:46
srmeister srmeister ist offline
Newbie
 
Registriert seit: 02.05.2018
Beiträge: 4
Standard AW: Photonenwelle

Hallo Bernhard, danke für die Willkommensgrüße.
Habe mir den ganzen Thread jetzt durchgelesen; hätte ich eher drauf kommen sollen

Wenn man Photonen unterschiedlicher Frequenz vergleicht, wobei die Frequenz ja die Energie festlegt, kann man dann sagen, dass die alle die gleiche Amplitude im EM-Feld besitzen? Müsste ja dann eine Art Naturkonstante sein?

Grüße,
Stefan
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  #4  
Alt 06.05.18, 00:13
Benjamin Benjamin ist offline
Profi-Benutzer
 
Registriert seit: 14.07.2010
Beiträge: 392
Standard AW: Photonenwelle

Zitat:
Zitat von srmeister Beitrag anzeigen
Wenn man Photonen unterschiedlicher Frequenz vergleicht, wobei die Frequenz ja die Energie festlegt, kann man dann sagen, dass die alle die gleiche Amplitude im EM-Feld besitzen? Müsste ja dann eine Art Naturkonstante sein?
Hi!

Du wirst dem, was wir heute über die Natur des Lichtes zu wissen meinen, nur sehr ungenügend gerecht, wenn du dir Photonen als Punktteilchen im Raum vorstellst. Der Begriff des Photons ist historisch zwar aus dieser Vorstellung entsprungen, trifft aber auf die Realität nicht zu.

Ich bin der Meinung, man wird der Wirklichkeit am ehesten gerecht, wenn man das Photon als einen besonderen Schwingungszustand des elektromag. Feldes begreift. In diesem sogenannten Ein-Photon-Zustand ist die Amplitude des Feldes scharf definiert, ähnlich der Energie eines Elektrons in einem stabilen Zustand im Atom. Es gibt nämlich neben der Orts-Impuls-, und Energie-Zeit-Unschärfe auch eine Amplitude-Phase-Unschärfe. Das heißt, wenn sich das em. Feld im Ein-Photon-Zustand befindet, ist die Amplitude völlig scharf, und die Phase völlig unbestimmt.

Der Wert dieser Amplitude hängt auch mit dem Planckschen Wirkungsquantum zusammen. Es gibt also schon eine Naturkonstante dafür.
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"Gott würfelt nicht!" Einstein
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  #5  
Alt 06.05.18, 00:24
Benjamin Benjamin ist offline
Profi-Benutzer
 
Registriert seit: 14.07.2010
Beiträge: 392
Standard AW: Photonenwelle

Der Wert der Amplitude Eo eines Photons ist übrigens:

Eo = (h*f/(2*epsilon*V))^(1/2)

Wobei:

Eo ... elektrische Feldstärke (=Amplitude)
h ... Plancksches Wirkungsquantum
f ... Frequenz der elektromag. Welle
epsilon ... elektr. Feldkonstante des Vakuums
V ... Volumen, welches die elektromag. Welle einnimmt

Das heißt also, die Amplitude eines Photons ist abhängig von der Frequenz und der räumlichen Ausdehnung der Welle.
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"Gott würfelt nicht!" Einstein
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  #6  
Alt 07.05.18, 06:47
srmeister srmeister ist offline
Newbie
 
Registriert seit: 02.05.2018
Beiträge: 4
Standard AW: Photonenwelle

Hallo Benjamin,
dann zeigt sich die Energie also sowohl in der Frequenz als auch der Amplitude des Feldes.
Ich versuche es mir ja auch als Feld vorzustellen. Aber andererseits: Soweit ich weis, läuft jede Wechselwirkung auf einen Kollaps "des Feldes" (zumindest bei einem einzelnen Photon) hinaus. Das müsste doch bedeuten, dass wir über das Feld selbst nichts in Erfahrung bringen können, nur indirekt, über die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Wechselwirkung. Bezogen auf die Amplitude, ist das dann nicht einzig für die Wahrscheinlichkeit wichtig? In dem Sinne, wenn die Feldstärke(Amplitude) hoch ist ist auch die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung hoch und da ist es ja logisch, dass die mit zunehmendem Abstand quadratisch abfällt (was ich ja auch in der Formel, durch das Volumen repräsentiert, sehe).
Aber ob das Photon sich jetzt nah oder fern zeigt, die Energie bleibt ja gleich.

Kann es sein, dass auch die Beschreibung des Feldes letztlich nur ein Hilfskonstrukt ist, weil wir über die tatsächlichen Vorgänge nichts wissen(können)?
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  #7  
Alt 07.05.18, 07:32
Bernhard Bernhard ist offline
Moderator
 
Registriert seit: 14.06.2017
Beiträge: 700
Standard AW: Photonenwelle

Zitat:
Zitat von srmeister Beitrag anzeigen
Kann es sein, dass auch die Beschreibung des Feldes letztlich nur ein Hilfskonstrukt ist, weil wir über die tatsächlichen Vorgänge nichts wissen(können)?
Man kann das Feld entweder klassich über den Energie-Impuls-Tensor beschreiben. Dann ist die Energiedichte eine zeit- und ortsabhängige Funktion. Oder man kann das Photon als Quantenobjekt beschreiben und muss dann die zugehörige Quantenfeldtheorie untersuchen. Beide Theorien sind AFAIK über die Bargmann-Wigner-Gleichung relativ eng miteinander verknüpft.
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Freundliche Grüße, B.
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  #8  
Alt 07.05.18, 10:57
Benjamin Benjamin ist offline
Profi-Benutzer
 
Registriert seit: 14.07.2010
Beiträge: 392
Standard AW: Photonenwelle

Zitat:
Zitat von srmeister Beitrag anzeigen
Hallo Benjamin,
dann zeigt sich die Energie also sowohl in der Frequenz als auch der Amplitude des Feldes.
Die Energie eines Photons ist immer hf. Aber je größer die Amplutude ist, umso mehr Photonen sind vorhanden, ergo die Energie des gesamten Feldes ist auch größer.

Zitat:
Ich versuche es mir ja auch als Feld vorzustellen. Aber andererseits: Soweit ich weis, läuft jede Wechselwirkung auf einen Kollaps "des Feldes" (zumindest bei einem einzelnen Photon) hinaus.
Der Kollaps der Wellenfunktion ist eine Interpretation. Egal ob Teilchen, Welle, Felder, das sind alles Vorstellungen aufgebaut auf Interpretationen. Der Diskussion dienlicher ist es in meinen Augen, wenn man über exakte Versuche - von mir aus Gedankenexperimente - spricht. Was kann man mit (zumindest hinreichender) Gewissheit über das Licht sagen? Es tauscht Energie in Vielfachen von hf mit Materie aus. Das ist ziemlich gesichert. Weiters zeigen Koinzidenzversuche am Strahlteiler, dass Lichtwellen im Ein-Photon-Zustand nahezu niemals gleichzeitig in zwei Detektoren nachgewiesen werden. Derartige Versuche sind übrigens die einzigen, die einen Teilchencharakter des Lichtes offenbaren, den man nicht mit dem Bild der klassischen Welle erklären kann. Wohingegen z.B. der oft zitierte Photoeffekt oder der Compton-Effekte das Teilchenbild nicht zwingend brauchen, sondern einwandfrei mit der Wellenmechanik erklärt werden können.

Will man über das diskutieren, was ein Photon wirklich ist, sollte man meiner Ansicht nach, diese Versuche diskutieren, und sich nicht zu sehr auf Interpretationen stützen, die vor hundert Jahren gemacht wurden, zu einer Zeit als es die entscheidenden Versuche über Photonenstatistik noch lange nicht gab. Der Kollaps der Wellenfunktion ist eine solche Interpretation.
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"Gott würfelt nicht!" Einstein
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  #9  
Alt 07.05.18, 13:19
Bernhard Bernhard ist offline
Moderator
 
Registriert seit: 14.06.2017
Beiträge: 700
Standard AW: Photonenwelle

Hallo Benjamin,

Zitat:
Zitat von Benjamin Beitrag anzeigen
zu einer Zeit als es die entscheidenden Versuche über Photonenstatistik noch lange nicht gab.
welche Versuche meinst Du da?
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Freundliche Grüße, B.
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  #10  
Alt 07.05.18, 13:35
Benjamin Benjamin ist offline
Profi-Benutzer
 
Registriert seit: 14.07.2010
Beiträge: 392
Standard AW: Photonenwelle

Zitat:
Zitat von Bernhard Beitrag anzeigen
Hallo Benjamin,


welche Versuche meinst Du da?
Hi!

Koinzidenzversuche, wo einzelne Photonen detektiert werden.
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"Gott würfelt nicht!" Einstein
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