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Lexikon Physik

Photon

Ein Photon (Lichtquant) ist das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, oder anders ausgedrückt, die kleinste Portion, in der elektromagnetische Felder auftreten können. Die umfassende Theorie, welche das Verhalten von Photonen und elektrisch geladenen Elementarteilchen beschreibt, ist die Quantenelektrodynamik. Viele Eigenschaften des Photons und elektromagnetischer Wellen lassen sich aber auch schon mit einfacheren Modellen erklären. Das Symbol für das Photon ist ein kleines \(\gamma\) („gamma“), etwas inkonsequent werden aber nur besonders energiereiche Photonen als Gammastrahlung bezeichnet. 

 

Photonen bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit c bewegt (allerdings in Materie möglicherweise auch langsamer, dies ist der klassische optische Effekt der Brechung). Dies ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass Photonen keine Ruhemasse haben. Für solche Quantenobjekte gelten die Beziehungen \(E = h\cdot f\) und \(p = \dfrac h \lambda\) (hPlanck’sches Wirkungsquantum, f: Frequenz, \(\lambda\): Wellenlänge). Beispielsweise beträgt die Energie eines Photons für rotes Licht 1,6 eV, für ultraviolettes Licht 12,4 eV, für Röntgenstrahlung zwischen 104 eV und 105 eV.

Obwohl es keine Ruhemasse besitzt, hat ein Photon die „bewegte“ eine Masse \(\dfrac E {c^2} = \dfrac{h\cdot f}{c^2}\). Es trägt keine elektrische Ladung und kein magnetisches Moment, weshalb es in elektrischen und magnetischen Feldern nicht abgelenkt werden kann. Sein Spin ist 1.

In der modernen Quantenphysik wird jede elektromagnetische Wechselwirkung auf den Austausch von virtuellen Photonen zurückgeführt. Bei diesen Prozessen nehmen die beteiligten Reaktionspartner Energie und Impuls auf oder geben davon ab, sodass die entsprechenden Erhaltungssätze gewahrt bleiben. Dieser Austausch muss extrem schnell geschehen, da die Existenz von virtuellen Photonen der Energie \(\Delta E\) nach der Heisenberg’schen Unschärferelation nur während der Zeit \(\Delta t = \dfrac h {4\pi \Delta E}\) erlaubt ist.

Mit den Photonen lässt sich nur der Teilchenaspekt, nicht aber der Wellenaspekt der elektromagnetischen Strahlung erklären. Die Beschreibung unter dem Wellenaspekt ist auch nach der Entdeckung der Photonen notwendig. Beide Aspekte ergänzen einander im Sinne des Welle-Teilchen-Dualismus.

Durchquert eine elektromagnetische Welle, d. h. ein Photonenstrahl, Materie, wird sie bzw. er durch folgende Prozesse abgeschwächt: Atom- und Molekülanregung (für Photonenenergien im eV-Bereich), Fotoeffekt (für Energien im keV-Bereich), Compton-Effekt (besonders im Bereich um 0,5 MeV) und Paarbildung (vorherrschend für mehrere MeV).

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