Was ist ein Photon


Licht ist eines der wichtigsten physikalischen Phänomene des Alltags. Auch die speziellen Eigenschaften des Lasers erobern mehr und mehr den Alltag. Hier können wir Fragen zum Licht erläutern.

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langlebiges Kaon

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Beitrag Di 23. Okt 2012, 08:55

Was ist ein Photon

Wäre ich ein kleines bisschen cholerischer, würde ich mich fast immer ärgern, wenn in der Wissenschaftspresse von Photonen die Rede ist. Ein Photon ist kein kugelförmiges Teilchen, das in einem Lichtfeld umherflitzt. Es ist eher ein Ordnungsprinzip, eine Quantenzahl, mit der elektromagnetische Schwingungnszustände Charakterisiert werden.

Mehr dazu in meinem neuen Blogbeitrag: Was ist ein Photon?

Proton

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Beitrag Sa 27. Okt 2012, 19:01

Re: Was ist ein Photon

Hi Joachim,

Joachim hat geschrieben: Ein Photon ist kein kugelförmiges Teilchen, das in einem Lichtfeld umherflitzt. Es ist eher ein Ordnungsprinzip, eine Quantenzahl, mit der elektromagnetische Schwingungnszustände Charakterisiert werden.


Gehe ich dann recht, daß diese Harocheschen Photonen-Zustände keinen Impuls auf die Spiegel übertragen, wie das bei Photonen in einem verspiegelten Kasten der Fall ist? Dann wären diese Zustände aber doch eher ein Beispiel dafür, was ein Photon nicht ist, oder?

Gruß, Timm
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langlebiges Kaon

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Beitrag So 28. Okt 2012, 09:56

Re: Was ist ein Photon

Hi Timm,

die Fock-Zustände in Haroches Resonator sind stationäre Zustände. Das heißt, sie ändern sich nicht zeitlich. Damit kann man auch nicht davon ausgehen, dass es einzelne Stöße mit den Wänden gibt, die Impuls übertragen. Aber es gibt einen Druck auf die Wände. Wenn man nämlich sie Kavität langsam vergrößern würde, würde die Frequenz des Fock-Zustands abnehmen und damit seine Energie nach E=hf abnehmen. Man würde also aus dem Zustand Energie entnehmen, was nur geht, wenn der Zustand Kraft auf die Spiegel ausübt.

Gruß,
Joachim

Proton

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Beitrag So 28. Okt 2012, 17:28

Re: Was ist ein Photon

Joachim hat geschrieben:die Fock-Zustände in Haroches Resonator sind stationäre Zustände. Das heißt, sie ändern sich nicht zeitlich.

Dann wäre das wohl der Unterschied zu einem Photon, das eine zeitlich veränderliche Phase hat. Jedenfalls ist klar, daß da nichts "umherflitzt".

Mit der Frage "Was ist ein Photon" ist m.E. auch dessen Ausbreitung verbunden. Da haben wir zwar eine zeitliche Änderung, können aber nicht sagen, es "flitzt" von A nach B, jedenfalls nicht auf einem bestimmten Pfad. Oder werfen die Experimente von Haroche ein neues Licht auf die Realität von Quantenobjekten, zu welchen auch Photonen gehören?

Gruß, Timm
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langlebiges Kaon

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Beitrag So 28. Okt 2012, 18:39

Re: Was ist ein Photon

Hallo Timm,

Ja, bei einem kohärenten Zustand (Glauber Zustand) würde man erwarten, dass der Druck auf die jeweiligen Spiegel periodisch anschwillt und abklingt. Da läuft dann tatsächlich eine Anregung im Resonator hin und her. Aber das ist kein Photon, sondern ein Zustand, der durch eine Überlagerung von Fockzuständen definiert ist.

Tatsächlich bestätigen die Experimente von Haroche alle Voraussagen der guten alten Quantenmechanik. Damit geben sie eigentlich keine ganz neuen Ansätze. Aber seit den 1920ern haben wir schon einiges zur Realität der Quantenzustände gelernt. Haroches Experimente haben da wertvolle Beiträge geleistet.

Gruß,
Joachim
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Graviton

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Beitrag Do 31. Jan 2013, 15:15

Re: Was ist ein Photon

Hallo Joachim,

Werde nun alle meine lieben Kollegen fragen ob sie wissen was ein „Fock-Zustand“ ist. Den Gesichtsausdruck der Befragten kann ich mir irgendwie jetzt schon vorstellen.

Nun aber ohne Kohl (bedeutet schweizerisch soviel wie spassig):

Im alten Forum stellte ich mal die Frage wie es ein Lichtquant schafft, von einer milliarden Lj entfernten Galaxys hier bei Familie Hubble anzukommen um dann zum Beispiel, falls es Hubble verfehlt, von einem Blatt Papier aufgehalten zu werden.
Das arme tapfere Quant welches mit unendlich scheinender Ausdauer soo weit durchs Universum geradelt ist - am Ende durch die Lufthülle eines blöderweise im Wege stehenden Planeten - findet sein unrühmliches Ende an einem Wirk in diesem dünnen Blatt Papier.

Bei Feynman (Sechs physikalische Fingerübungen , Piper, S 176) lese ich dass sich Elektronen genauso wie Licht verhalten. Wenn sich Stefen Hawkin in seinen neuen Buch (Der grosse Entwurf) mehrmals auf diese Ikone bezieht, muss doch da was dran sein, sinniert der geplagte Laie aus der unteren Mittelschicht.

Denn: Wenn ein Stern bestimmter Masse kollabiert, gibt’s dann irgenwann eine „Elektronensuppe“. Die müssen dann aber schön brav bei ihrem Stern bleiben, die Elektronen, auch wenn, oder gerade weil, er nicht mehr so schön gross ist.

Licht aber, und andere Verwandte, dürfen Mutti Stern jetzt schon verlassen. Klar - nur die welche dürfen.
Milliarden Lichtjahre vor sich.
Ausser es steht ein Blatt Papier…

Higgs!
Sorry

Ara
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Photon

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Beitrag Fr 13. Mär 2015, 12:32

Re: Was ist ein Photon

Joachim hat geschrieben:die Fock-Zustände in Haroches Resonator sind stationäre Zustände. Das heißt, sie ändern sich nicht zeitlich. Damit kann man auch nicht davon ausgehen, dass es einzelne Stöße mit den Wänden gibt, die Impuls übertragen.


Hallo Joachim,

als Nicht-Physiker (nur Nachrichtentechniker mit TU) habe ich gleich eine Frage: Wäre dieser Resonator dann ja die theoretische Grundlage des Lasers?

Als zweite Frage: Ist es möglich ein Foton in ein Elektron und Positron umzuwandeln? Ich habe davon gehört.
Hat ein Wissenschaftler etwas Wahres erkannt, ist damit eine Fülle neuer Fragen verbunden.
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langlebiges Kaon

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Beitrag Sa 14. Mär 2015, 07:54

Re: Was ist ein Photon

Zur zweiten Frage: ja, das funktioniert tatsächlich.

Zunächst mal kann aus einem Elektron und einem Positron ein Photonenpaar entstehen. Da die el.-mag. WW invariant unter Zeitumkehr ist, ist auch der umgekehrte Prozess, also die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares aus einem Photonpaar möglich. Allerdings liegt dieser Effekt um viele Größenordnungen unterhalb der experimentell zugänglichen Schwelle. Der Grund dafür ist, dass das el.-mag. Feld klassisch keine Selbstwechselwirkung aufweist, d.h. z.B. Lichtstrahlen durchdringen einander ohne gegenseitige Beeinflussung (mathematisch: Maxwellgleichungen sind linear). Der Effekt kann also erst mittels der Quantenelektrodynamik erklärt werden. Die Quanteneffekte sind dabei um viele Größenordnungen unterdrückt.

Du fragst nach der Erzeugung eine Elektron-Positron-Paares aus einem einzigen Photon. Das ist nicht so einfach möglich, da der Zerfall eines Photons in ein Paar massebehafteter Teilchen die Energie- und Impulserhaltung verletzen würde. Betrachten wir ein Elektron-Positron-Paar in Ruhe. Die Gesamtmasse ist M = 2me; die relevante Erhaltungsgröße, das Quadrat der invarianten Gesamtmasse ist s = M2 = 4me2. Betrachten wir nun die invariante Masse eines Photons; sie ist in jedem beliebigen Bezugssystem gleich Null, d.h. wir haben s = 0. Ein derartiger Prozess würde also aus einem Zustand mit s = 0 einen Zustand mit s > 0 erzeugen, und das ist verboten.

Man kann jedoch ein genügend hochenergetischen Photon (mindestens harte Röntgenstrahlung) an einem Atomkern streuen. Dieser Kern kann dabei sozusagen den überschüssigen Impuls aufnehmen, so dass der Zerfall des Photons in ein Elektron-Positron-Paar erlaubt ist. Tatsächlich funktioniert das für beliebige Teilchen-Antiteilchen-Paare (vorausgesetzt die beiden Partner sind jeweils geladen, und vorausgesetzt, das Photon hat genügend hohe Energie). Z.B. spielt die sogenannte Photo-Pion-Produktion in der Hochenergiephysik eine wesentliche Rolle, da man zum einen theoretische Vorhesagen der QCD oder verwandter Theorien testen kann, und da man zum anderen so praktisch Pion-Strahlen für weitere Experimente produziert.
Er muss sozusagen die Leiter wegwerfen, nachdem er auf ihr hinaufgestiegen ist.
Ludwig Wittgenstein
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Beitrag Mo 16. Mär 2015, 11:27

Re: Was ist ein Photon

TomS hat geschrieben:Du fragst nach der Erzeugung eine Elektron-Positron-Paares aus einem einzigen Photon.


Besten Dank für die ausführlich Antwort. Ich habe einen ganz aktuellen Artikel gefunden zu de3m Thema

http://www.extremetech.com/extreme/1827 ... teins-emc2
Hat ein Wissenschaftler etwas Wahres erkannt, ist damit eine Fülle neuer Fragen verbunden.
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Photon

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Beitrag Di 17. Mär 2015, 19:12

Re: Was ist ein Photon

Timm hat geschrieben:Mit der Frage "Was ist ein Photon" ist m.E. auch dessen Ausbreitung verbunden. Da haben wir zwar eine zeitliche Änderung, können aber nicht sagen, es "flitzt" von A nach B, jedenfalls nicht auf einem bestimmten Pfad. Oder werfen die Experimente von Haroche ein neues Licht auf die Realität von Quantenobjekten, zu welchen auch Photonen gehören?


Ganz naiv gesehen: Ein Photon kann nie ruhen (zeitlich, örtlich), gleiche Energie erhalten bei gleicher Frequenz vielleicht.
Hat ein Wissenschaftler etwas Wahres erkannt, ist damit eine Fülle neuer Fragen verbunden.

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