Wieso verhalten sich Photonen wie elektromagentische Wellen?
Hallo,
Meine Frage ist eigentlich komplizierter als hier geschrieben. Wir hatten zuvor im Unterricht den Dipol unternommen. Ich weiß, dass Licht elektromagnetische Wellen sind und auch Photonen. Auch weiß ich, dass Licht durch Energie bzw Quantensprünge entsendet werden, jedoch verstehe ich nicht, in wie fern jetzt das eine elektromagnetische Welle ist. Da wir zuvor die elektromagnetischen Wellen durch einen Kondensator und einer Spule erzeugt haben.
Ich hoffe man versteht so halb, was ich meine.
Ich danke jeden, der antwortet c:
LG
3 Antworten
Elektronische Übergänge im Atom haben ein Übergangsdipolmoment und strahlen Dipolstrahlung ab oder absorbieren sie. Das ist von der Art her keine andere Dipolstrahlung, als ihr sie mit Kondensator und Spule erzeugt habt, nur viel hochfrequenter.
Dass man Licht physikalisch auf unterschiedliche Weisen beschreibt - nunja, mit Wasser macht man es nicht anders: Den Strahl aus dem Gartenschlauch beschreibt man anders als die Wellen auf dem Meer oder einzelne Regentropfen. Trotzdem ist alles dasselbe Wasser.
Das ist mit Licht nicht viel anders: Das Photon entspricht dem Tropfen oder einem einzelnen Wassermolekül, der Wasserstrahl der Strahlenoptik, die Meereswelle der Wellenoptik.
Welle und Teilchen sind nur zwei Sichten auf das Gleiche im Sinne der Unschärferelation. Erzwingt man experimentell Ortsschärfe, hat man Teilchen, erzwingt man Impulsschärfe*, hat man Wellen. Anders gesagt: das Absolutquadrat einer Wellenfunktion an einem Ort ist die Wahrscheinlichkeitsdichte, dort ein Teilchen "anzutreffen".
*) der Impuls hängt direkt mit der Wellenlänge zusammen. Wirklich genau kann man die Wellenlänge aber nur bei einem unendlich langen Wellenzug messen - je kürzer der Wellenzug, desto genauer der Ort, desto unschärfer die Wellenlänge und damit der Impuls.
Das kommt aus der Quantenphysik. Elektrische bzw. magnetische Felder beeinflussen sich gegenseitig und sind letztendlich gleicher Natur, was man dann zusammenfassend als Elektromagnetismus bezeichnet. Im Rahmen der Quantenphysik hat man gemerkt, dass Energie, in welcher Form auch immer, allen Beobachtungen nach in gequantelter Form vorkommt - also in Form von festen Energiepaketen, die eine Mindestgröße haben (dies rührt im Beispiel von Licht vom Photoelektrischen-Effekt, wofür Albert Einstein seinen Nobelpreis bekommen hat). Zusammen mit der Beobachtung, dass Licht sich manchmal als Teilchen verhält (bspw. hat Licht einen Impuls) ist es dann klar, das man sich ein solches "Lichtquant" genauer ansehen sollte.
Genau ein solches Paket ist dann ein Photon. Es ist ein minimales Lichtpaket. Minimal in dem Sinne, als dass es keine kleinere Menge an "Licht" geben kann. Tatsächlich repräsentieren Photonen jetzt aber nicht nur Licht im sichtbaren Bereich, sondern generell alle Möglichkeiten im elektromagnetischen Spektrum, also auch Gammastrahlung, Mikrowellenstrahlung, Infrarot etc. Es muss tatsächlich dann nichtmal als Welle betrachtet werden, sondern kann unter gewissen Umständen auch als Wellenpaket mit endlicher Ausbreitungsrichtung gesehen werden, aber das führt denke ich hier zu weit.
Vielleicht nochmal mit anderen Worten: Ein Photon kann als "Austauschteilchen" von Elektromagnetismus gesehen werden. Immer wenn also zwei Systeme miteinander elektromagnetisch Wechselwirkung, so tun sie dies, indem sie Photonen austauschen.
Nun klar, man kann quantenmechanische Teilchen als Überlagerung vieler einzelnen Wellen darstellen, um so ein Wellenpaket zu erzeugen, welches durch Dispersion immer weiter “zerfließt”. Meinst du das? Letztendlich steht es uns doch aber frei, dieses Objekt trotzdem Teilchen zu nennen. Immerhin hat es makroskopisch gesehen trotzdem teilweise die Eigenschaft eines Teilchens.
Ebenfalls würden wir die beliebige Nicht-Lokalität zurücksetzen, jedes mal wenn wir versuchen das Objekt zu “sehen” (bestimmen/messen). Zusätzlich gibt es auch noch die Quantenfeldtheorie, welche solche Objekte einfach als lokale Anregungen von globalen Feldern klassifiziert. Dabei ist es dann auch wiederum nur wichtig, dass dieses etwas lokal existiert und mit anderen lokalen Dingen punktweise wechselwirkt. Dies ist sogar die genaueste Theorie der Quantenmechanik und ein Modell der Teilchenphysik. Demnach denke ich, es ist genauso kompliziert wie man es vermutet; Begriffe wie Teilchen oder Welle in der Quantenmechanik können fast gleichgestellt werden. Man sollte einfach nur wissen, wie man damit in den Situationen umgehen sollte.
Was ich da erklärt habe, gilt insbesondere auch für jede harmonische Feldanregung (und sie ist ja gar nicht teilbar). Photonen, wie sie etwa im Doppelspaltexperiment betrachtet werden, sind natürlich dicke Pakete (= Summen) harmonischer Feldanregungen.
Dass man von "Teilchen" statt von "Energieportionen" spricht, hat historische Gründe.
Ich denke, das Ganze wird etwas besser verständlich, wenn man statt von "Teilchen" von "Energieportion" spricht. Ihre Größe ist proportional zur Frequenz der Welle, und die Welle ist Kugelwelle, deren Radius sich mit Lichtgeschwindigkeit vergrößert. Eben deswegen finde ich den Begriff "Teilchen" so irreführend.
Erschwerend kommt hinzu, dass die Kugelwelle um Hindernisse herum gebeugt wird, sich mit zunehmendem Radius also schnell auch als immer "verbeulter" darstellt. Fast ohne gebeugt zu werden kann sie sich nur im besonders kalten Weltraum ausbreiten.
Sich ein Photon als Kugelwelle vorzustellen zeigt insbesondere, dass es (als Portion von Energie) beliebig nicht-lokal existieren kann. Wer von "Teilchen" spricht, wird diesen Aspekt eher nicht verstehen können.