Was sind Photonen? (Und was ist Licht?)

Die Begriffe Photonentorpedo, Photonenstrahl usw. sind Star Trek- und Science Fiction-Fans garantiert geläufig. Auch so hat jeder schon mal von Photonen gehört. Doch was verbirgt sich hinter diesem Begriff? Was ist ein Photon, wie entsteht es, wie verhält es sich und was kann es? – Ach ja, und ich widme diesen Beitrag kinder unlimited 😉

LichtBild: br.de

Das Photon hat mit Licht zu tun und nachdem Licht immer elektromagnetische Strahlung ist, fangen wir erst mal damit an:

Licht ist der für das Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung. Die Art der Strahlung bzw. die Farbe des Lichts wird in Wellenlängen angegeben. Man kann sich Licht tatsächlich wie eine Welle im klassischen Sinne vorstellen. Nun haben Wellen immer einen Wellenkamm und ein Wellental. Der Abstand zwischen zwei Wellenkämmen wird als die eben erwähnte „Wellenlänge“ bezeichnet. Die Anzahl an Wellen, die pro Sekunde auf das Auge treffen, nennen wir Frequenz, die in der Einheit Hertz (Hz) angegeben wird. Sie gibt die Anzahl sich wiederholender Vorgänge pro Sekunde in einem periodischen Signal an und zwar nicht nur bei Licht, sondern beispielsweise auch bei Schall. So wird das Eintreffen von einem Wellenkamm pro Sekunde mit 1Hz beschrieben. Jetzt gibt es aber deutlich höhere Frequenzen und um die Zahlen nicht so groß werden zu lassen, gibt man die Einheit Hertz folgendermaßen an:

Kilohertz (kHz): tausend Zyklen pro Sekunde

Megahertz (mHz): eine Million Zyklen pro Sekunde

Gigahertz (gHz): eine Milliarde Zyklen pro Sekunde

Terahertz (tHz): eine Billion Zyklen pro Sekunde

Petahertz (pHz): eine Billiarde Zyklen pro Sekunde

usw…

WellenlängeBild: geodz

Zurück zur elektromagnetischen Strahlung. Nachdem wir nun wissen, wie sie theoretisch aussieht, ist es noch wichtig zu wissen, dass jegliche Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums als „Licht“ bezeichnet werden dürfen – auch, wenn wir nur einen kleinen Teil davon mit unseren Augen wahrnehmen können, nämlich den Bereich zwischen ca. 400nm und 700nm Wellenlänge. Alle Wellenlängen, die kürzer als 400nm sind, nennen wir Ultraviolettes Licht, alles was größer als 700nm ist, wird Infrarotlicht genannt. Hier eine schöne Übersicht dazu:

elektromagnetisches Spektrum

Bild: wikipedia

Also fassen wir zusammen: Licht sind Wellen, die auf unser Auge treffen. Abhängig davon, wie groß die Abstände zwischen den Wellen sind, nehmen wir das Licht als unterschiedliche Farben wahr. So weit so gut. Und jetzt kommt das Photon ins Spiel. Das Photon, das seinen Namen, wie so oft, aus dem griechischen (phōtos = Licht) ableitet, ist das Elementarteilchen (das kleinste, unteilbare Teilchen) des elektromagnetischen Spektrums. Photonen sind also das, woraus elektromagnetische Strahlung besteht und werden deshalb auch „Lichtteilchen“ genannt.

Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Photonen sind Leichtgewichte, bzw. gewichtslos, da sie keine Masse besitzen, sind im Vakuum ständig mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs und haben in Selbigem zudem eine unendlich lange Lebensdauer. Sie sind also stabil. Nach den Elektronen wurden Photonen als zweite Elementarteilchensorte vorhergesagt und nachgewiesen. (Sie lieben also das Rampenlicht).

Photonen sind darüber hinaus überaus vielfältig – und sie sind allgegenwärtig. Sie vermitteln nicht nur die elektromagnetische Kraft und sorgen damit dafür, dass negative Elektronen mit positiven Atomkernen zusammen Atome bilden. Die unterschiedlichen Farben des Lichts entsprechen dabei verschiedenen Energien der Photonen. Photonen mit Energien jenseits denen des sichtbaren Lichts können unsere Haut bräunen (UV-Strahlung) und unsere Knochen durchleuchten (Röntgenstrahlung). Noch höhere Energien führen zur radioaktiven Gammastrahlung. Photonen mit geringer Energie nehmen wir als Wärme wahr (Infrarotstrahlung), sie helfen uns, Essen aufzuwärmen (Mikrowellen) und übertragen Radiosendungen (Radiowellen).

Photonen besitzen – wie alle Elementarteilchen – Eigenschaften von Wellen und von Teilchen. So kann man sie beispielsweise teilchenartig an einem bestimmten Ort nachweisen, ihre Bewegung durch den Raum kann aber besser mit Wellen beschrieben werden. Photonen sind dabei jedoch nicht nacheinander mal Teilchen, mal Welle. Vielmehr sind das Teilchen- und das Wellenbild zwei Seiten derselben Medaille. Beschrieben wird dies durch die Quantentheorie. Danach sind Photonen Quantenobjekte, für deren Verhalten nur noch Wahrscheinlichkeitsaussagen getroffen werden können. Das führt zu handfesten Anwendungen: Will man Laser, Leuchtdioden und Mikrochips verstehen, kommt man an der Quantentheorie nicht vorbei.

Sichtbare Photonen entstehen in vielen verschiedenen Lichtquellen – beispielsweise in Glühbirnen oder Neonlampen. Dabei sind unterschiedliche physikalische Prozesse beteiligt. In der Glühlampe schwingen Atome und senden wie eine Funkantenne Photonen aus. In einer Neonlampe werden Atome mit Energie angeregt und strahlen Photonen ab, wenn sie diese Energie wieder abgeben.

Ohne Atome geht es auch. Denn Photonen entstehen auch dann, wenn man geladene Teilchen wie Elektronen beschleunigt oder abbremst. Dies passiert beispielsweise in Röntgenröhren für medizinische Zwecke oder in modernen Lichtquellen für die Forschung.

So, ich hoffe, ich konnte einigermaßen verständlich beschreiben, was Photonen sind und was ihre wichtigsten Eigenschaften sind. Es ist ein „tolles Teilchen“, dass es uns ermöglicht, uns mit den Augen in unserer Welt und im Universum zu orientieren und zugleich ein wichtiger Helfer im Alltag. Ich finde, man sollte dem Photon einen Preis verleihen, doch leider könnte es diesen gar nicht annehmen – denn es hat ja keine Masse.

Über stellariumblog

Stellariumblog ist ein Info-und Newslog. Ich versuche, die oftmals komplizierte und unübersichtliche Fülle an Informationen und Wissen verständlich zu erklären. Mein Ziel ist es, mit diesem Blog so viele Menschen wie möglich von der Astronomie zu begeistern. Natürlich versuche ich, täglich die wichtigsten News aus den Bereichen Astronomie, Astrophysik und vergleichbaren Wissenschaften zu bloggen, ich bin allerdings Berufstätig und habe leider nicht jeden Tag ein bis zwei Stunden Zeit – seid also bitte etwas nachsichtig falls ich nicht immer alles als erster poste ;) Ich freue mich immer über positive Bewertungen, aber auch über konstruktive Kritik sowie Vorschläge und/oder Hinweise auf mögliche Fehler (ich bin auch nur ein Mensch). Ansonsten wünsche ich euch viel Spaß in meinem Blog.
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4 Antworten zu Was sind Photonen? (Und was ist Licht?)

  1. kinder unlimited schreibt:

    und stimmt es, dass ein Photon unsere Dimension verlassen kann und dann wieder auftauchen ? Ich meine, das mal gelesen zu haben…und soooooooooooo vielen Dank, dass Du darüber geschrieben hast!

    Gefällt 1 Person

    • stellariumblog schreibt:

      Das kommt darauf an, auf welche Theorien du dich beziehst… aber ohne zu recherchieren kann ich dir das leider nicht beantworten 🙂

      Sehr gerne, finde das Thema auch sehr spannend. Nur wurde es mir jetzt – nach einem 10-Stunden-Arbeitstag – leider etwas zu spät, um noch tiefer in das Thema einzusteigen. Ich habe beispielsweise daß ganze Thema „Quanten“ ausgelassen, aber ich werde mit Sicherheit nochmal darauf eingehen… irgendwann 😉

      Gefällt 1 Person

  2. wordBUZZz schreibt:

    Und ich weiß noch wie ich im Krankenhaus lag mit einem fetten Wälzer über Quantentheorie und alle Krankenschwestern inklusive Arzt mich für völlig schräg hielten… Lag aber nicht nur an dem Buch. O-Ton der Oberschwester: Du ließ sowas freiwillig?! Gott, wo sind nur die guten alten Twilight-Teenes hin 😀 Die war cool

    Übrigens, ich mag deinen Beitrag 🙂 Quarks wären auch nicht schlecht. Ich finde ja die bezeichnungen Charm und Bottom genial^^

    Gefällt 2 Personen

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