Verständnisfrage zum Photon?

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5 Antworten

Nein, leider kann man das so einfach nicht sagen.

Der Quantenmechanik geht es eiskalt am A... vorbei, ob wir sie verstehen oder nicht und ob wir uns etwas darunter vorstellen können oder nicht.

Ganz grob kann man sich das so vorstellen, dass ein "Quanten-Dingsbums" sich als Welle ausbreitet und als Teilchen reagiert.

Wenn wir genau ein Photon im Hohlraum haben, ist das, solange es sich bewegt (also als Welle "physikalisch existiert", aber nicht als Teilchen), ein Wellenpaket. Von der Form her so was wie eine "dreidimensionale Gaußglocke", die sich in eine bestimmte Richtung ausbreitet. (Die genaue Richtung kann man aus dem Rückstoß ermitteln, den die photonenerzeugende Apparatur erfählrt.)

Eine genaue Gaußglocke ist es nicht - die Welle überlagert sich mit ihren Reflexionen an den Wänden. (Vgl. die Antwort von Reggid.)

Wenn wir irgendwo einen Photonendetektor hinsetzen, ist die Wahrscheinlichkeit, das Photon zu einem bestimmten Zeitpunkt an diesem bestimmten Ort nachzuweisen, proportional zur "Intensität" der Photonenwelle zu dieser Zeit an diesem Ort. (Intensität ist proportional zum Betragsquadrat der Wellenfunktion)

Wir können auch überall an die Wand Detektoren setzen. Bei idealer Anordnung wird in jedem Fall einer dieser Detektoren das Photon nachweisen. Aber welcher genau und wann genau (und beides wie genau) ist nur in Wahrscheinlichkeiten auszudrücken, weil wir ja kein Wellenpaket mit unendlich kleiner Ausdehnung haben. Im Mittel wird das nach 1 s stattfinden (wir nehmen der Einfachheit halber die Lichtgeschwindigkeit als 300.000.000 m/s an - so ist die Frage offensichtlich gemeint), aber eben mit einer gewissen Schwankung darum herum: die mittlere räumliche Streuung - bei bekanntem Impuls (auch der ist allerdings unscharf) - ist in der Größenordnung der Wellenlänge, die mittlere zeitliche Streuung in der Größenordnung von 1/Frequenz.

Usedefault 13.04.2017, 14:09

Ich habe heute schonmal dieses kurze Video angeschaut: https://m.youtube.com/watch?v=Vkk0OOGm4gU

und bin jetzt etwas verwirrt. Es wird gezeigt, dass bei DC das Magnetfeld konstant um die Spule besteht und bei pulsierender Spannung das Magnetfeld ständig oszilliert. Aber ich dachte, das virtuelle Photon welches die Kräfte vermittelt ist etwas anderes, als die elektromagnetische Welle? Wenn die Wellen das Magnetfeld ausmachen, wie reagiert dann diese auf Elektronen und Protonen, falls das Photon dort als Teilchen eintrifft? Werden beide weggestoßen und nehmen mehr oder weniger den Impuls auf?

Und 2.) wenn die Welle räumliche Ausdehnung besitzt, ist die Energie dann noch kleiner gequantelt als das Wirkungsquantum oder ganz einfach unscharf überall und nirgendwo?

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PWolff 13.04.2017, 15:01
@Usedefault

Die Wirklichkeit - oder besser, das bisschen, was wir bisher überblicken zu können glauben - ist noch verwirrender:

Man kann entweder die elektromagnetischen Wellen mit den Wellen der Elektronen und Protonen wechselwirken lassen, oder das (virutelle) Photon mit dem Elektron / dem Proton. Im ersten Fall hat man überhaupt keine Teilchen (in der Betrachtung), im zweiten Fall "zwingt" die Anwesenheit eines geladenen Teilchens das elektromagnetische Feld dazu, sich zu entscheiden, ob da ein virtuelles Photon ist oder nicht.

Sowohl Wellen als auch Teilchen können Energie und Impuls tragen. Das muss so sein, damit beide Betrachtungsweisen äquivalent sind.

(bzw. es ist schon lange bekannt, dass Wellen Energie und Impuls tragen können, und man hat durch Untersuchungen der Quantenphysik festgestellt, dass beide Betrachtungsweisen äquivalent sind.)

2.): die Energie ist "unscharf überall und nirgendwo", solange wir kein Teilchen vorliegen haben. Sobald wir ein Teilchen haben, kondensiert die Energie am Ort des Teilchens.

Das Wirkungsquantum betrifft nur "Wirkungen", also Produkte "komplementärer" ("sich ergänzender") Größen. Ort und Impuls sind komplementär, und auch Energie und Zeit.

Da eine Wirkung nur in ganzzahligen Vielfachen des Planckschen Wirkungsquantums ausgetauscht werden kann, dauert ein Vorgang mit Energieaustausch entsprechend lange bzw. hat wegen der Heisenbergschen Unschärferelation eine entsprechend große Zeitunschärfe. Die Breite, mit der man den Zeitrahmen bestimmen kann, innerhalb dessen ein Photon reagiert, liegt in der Größenordnung seiner Schwingungsperiode (= 1 / Frequenz).

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Usedefault 13.04.2017, 19:08
@PWolff

Im Prinzip ist ja jede Welle Energietransport in einem bestimmten Medium, wobei die Teilchenzahl konstant bleibt.

Wie hoch kann eigentlich in Luft die Frequenz des Schalls sein, ohne dass es zu Verzerrungen kommt? Denn die Luft braucht ja eine Zeit, um für die nächste Welle bereit zu sein oder?

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PWolff 13.04.2017, 20:19
@Usedefault

Elektromagnetische Wellen sind Wellen im Vakuum ...

Die Maximalfrequenz in Luft kann man daraus abschätzen, dass die Wellenlänge deutlich kleiner sein muss als die mittlere freie Weglänge der Luftteilchen.

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Usedefault 13.04.2017, 21:53
@PWolff

Das weiß ich eh, dann ist halt das Feld ein Medium!

Warum bewegen sich Schallwellen mit mehr Schalldruck eigentlich nicht schneller? Wie kommt es, dass die Schallgeschwindigkeit von der Lautstärke unabhängig ist?

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nein.

weil ein photon kein bällchen ist dass sich durch den raum bewegt.

ein 1-photon-zustand mit festgelegter frequenz im inneren eines hohlraums ist ein stationärer zustand, d.h. zeitunabhängig. da bewegt sich gar nichts.

es kann auch überlagerungen von 1-photon-zuständen mit unterschiedlicher frequenz geben, was dann eine art wellenpaket ergibt, welches sich durch den raum ausbreiten kann. aber wie das im detail abläuft hängt dann natürlich von der exakten form dieser überlagerung ab, denn das muss nicht zwangsläufig eine kugelwelle sein (wo alle richtungen gleich wahrscheinlich sind), sondern deises wellenpaket kann durchaus eine ausgezeichnete richtung haben, wodurch die fläche auf welcher das photon mit einer gewissen wahrscheinlichkeit detektiert wird stark eingeschränkt sein kann.

die geschwindigkeit beträgt immer exakt c im vakuum, dass ist richtig, allerdings muss das photon bei der enstehung nicht exakt lokalisiert sein, sodass auch die 1 sekunde nicht exakt sein muss

usw. usw. usw.

es ist eben leider alles nicht so einfach...

Usedefault 13.04.2017, 11:14

Wie macht dann die Radioantenne das, dass sie Photonen so lokalisiert, dass das Signal dann beim Empfangsgerät ankommt?

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PWolff 13.04.2017, 12:30
@Usedefault

Die Radioantenne arbeitet mit so niedrigen Frequenzen, dass bei der verwendeten Energie eine sehr, sehr große Anzahl von Photonen erzeugt wird. Auch ist die Wellenlänge nicht mehr sehr klein verglichen mit der Ausdehnung der Sende- und der Empfangsantenne. Damit spielt hier die Wellennatur des Lichts die entscheidende Rolle und die einzelnen Photonen sind praktisch nicht mehr beobachtbar.

Das ist wie mit den Luftmolekülen in dem Zimmer, in dem du bist: Du kannst dich darauf verlassen, dass in jeder Ecke des Zimmers genug Luft ist, dass du dort nicht erstickst. Auch der Schall wird wie durch ein kontinuierliches Medium weitergeleitet anstatt durch wenige kräftige Stöße weniger Luftmoleküle völlig verrauscht zu werden. Das liegt an der extrem großen Anzahl von Luftmolekülen selbst in einem Kubikmikrometer Luft - dadurch verhält sich die Luft wie ein Kontinuum und die einzelnen Moleküle sind praktisch nicht mehr beobachtbar.

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PWolff 13.04.2017, 12:34
@PWolff

Bei Gammastrahlung radioaktiver (gamma-aktiver) Materialien sind die Energien der einzelnen Photonen so hoch und die Gesamtenergie der ausgestrahlten Wellen so niedrig, dass man hier einzelne Photonen beobachtet - man beobachtet hier tatsächlich einzelne Gammateilchen (Photonen) und keine Welle mehr. (Um die Wellennatur nachzuweisen, braucht man Kristalle mit Kristallparametern in der Größenordnung der Wellenlänge, also sehr, sehr klein.)

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Usedefault 13.04.2017, 12:37
@PWolff

Aber warum sind die Photonen bei der Antenne lokalisiert und die Radiosendung kommt nach z. B. 3 Sekunden an und bei einem Photon ist das nicht so?

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Nein, es berührt nach 1s die Wand überall gleichzeitig, aber nehmen wir an, die Hohlkugel wäre mit Spiegeln ausgekleidet, dann kann man mit 99.9% Wahrscheinlichkeit (Reflexionsverlust) sagen, daß nach 2 Sekunden das reflektierte Photon in der Mitte der Hohlkugel mit einem geeigneten Detektor wieder interagieren kann.

Das ist jetzt natürlich stark vereinfacht ausgedrückt.

Usedefault 13.04.2017, 11:15

Wiederspricht sich deine Antwort nicht irgendwie mit der von Reggid? Ich muss mich zuweilen sowieso enthalten.

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PWolff 13.04.2017, 12:25
@Usedefault

In gewissem Sinne widerspricht sich dies - ob ein Photon "exisitert", kann die Physik erst in dem Moment sagen, in dem es nachgewiesen wird (bzw. seine Abwesenheit nachgewiesen wird). Bis dahin haben wir Wellen.

Bei einer Photonenenergie, deren zugehörige Wellenlänge klein gegenüber dem Kugeldurchmesser ist, haben wir aber eine sehr schmale Wellenfront, die auch sehr scharf reflektiert wird.

Je höher die Photonenenergie / je kürzer die Wellenlänge (verglichen mit typischen Energien / Ausdehnungen der Apparatur), desto deutlicher der Teilchencharakter.

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Ein Photon nimmt immer die Bewegungsrichtung des emittierenden Mediums an. Zudem wird es von Gravitation beinflusst. Wenn das Photon rein theoretisch einfach erscheinen würde und die Hohlkugel keine Masse und das Universum eine Null-Gravitation hätte, würde sich das Photon nicht bewegen. Auch wenn dabei die Hohlkugel zwar Masse, aber molekular absolut homogen wäre, würde sich das Photon nicht bewegen, da die Anziehungskräfte in alle Richtungen gleich wäre. Würde das Photon aber nicht absolut in der Mitte der Hohlkugel emittieren, würde es sich in Richtung des kleinsten Abstands zur Hülle der Hohlkugel bewegen. Auch wenn die Hohlkugel an einer Stelle geringfügig mehr Masse hat, bewegt sich das Photon in diese Richtung.

Was scatha da sagt, ist natürlich hahnebüchen. Reggid hat da teilweise Recht.

PWolff 14.04.2017, 00:40

Photonen bewegen sich auch ohne Gravitation; sie werden durch die Zeitverlangsamung tiefer im Gravitationspotential abgelenkt.

Gravitationskräfte einer Hohlkugel verschwinden in ihrem Innern.

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Naja. Es ist nur 297,300Km/h (oder sowas in der Art) schnell. Also nein das wird etwas mehr als eine sekunde sein. 

Dann muss man noch bedenken das ein Photon kein Teilchen ist. Ein Photon ist nämlich ganz böse und Verhält sich wie eine Welle und ein Teilchen zur gleichen zeit. Stichwort Dopplereffekt.

Und man kann nicht sagen das dass Photon DA ist. Das geht nicht. Ein Photon kann theoretisch überall sein. Man müsste das Photon dazu zwingen sich so zu bewegen wie man will. Zb durch Laser.

Ich bin leider nur auf der Realschule und hab mir mein Wissen diesbezüglich angelesen. Ich verweise deswegen auf den Kommentar von Reggid. Meine Antwort kann falsch sein, aber laut meinem Stand sollte das stimmen.

Usedefault 13.04.2017, 12:31

Dopplereffekt wird die Tatsache genannt, dass eine Schallquelle, die sich auf einen zubewegt, sich anders anhört.

Du meinst wohl Doppelspalteffekt.

Aber so naiv ist meine Anschauung ja auch, aber Reggid schreibt etwas ganz anderes, was für einen Laien wohl anmuten lässt, als ob er nicht dicht ist. Wobei die Antwort sicher Sinn beinhaltet, nur ich verstehe es auch (noch) nicht.

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PWolff 13.04.2017, 12:37
@Usedefault

"Dopplereffekt" steht hier wohl statt "Doppelnatur" ((Welle-Teilchen-)"Dualismus")

CarrieSatan hat auf jeden Fall darin recht, dass man nicht einfach sagen kann, dass ein Photon "da" ist. Erst, wenn man ein Photon nachweist (und damit vernichtet), kann man sagen, dass es "hier" gewesen ist.

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Usedefault 13.04.2017, 12:43
@PWolff

Warum sollte die Energie nicht existieren, nur weil sie das Messverfahren absorbieren würde? Wo es mir die Haare aufstellt ist bei: 

Das Photon könnte 2 Sekunden brauchen, weil es bei der Entstehung nicht lokalisiert ist. Kann das Photon in einer anderen, weit entfernten Galaxis auch emittiert werden bzw. losstarten?

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CarrieSatan 13.04.2017, 12:46
@Usedefault

Ok das habe ich leider verwechselt. 

aber danke für dich Richtigstellung.

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CarrieSatan 13.04.2017, 12:49
@Usedefault

Soweit ich weiß sieht das ganze so aus das dass Photon Technisch gesehen überalle ist. In der sogenannten Superposition. Es ist überall mit einer Gewissen Wahrscheinlichkeit. 

Also ja es könnte auch in einer anderen Galaxie sein, bzw dort ist es auch aber eben auch nicht. Ich denke mal das der Sensor es trotzdem genau nach einer sekunde detektieren wird. Mit dem Sensor zwingen wir es ja da zu sein. 

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SlowPhil 13.04.2017, 12:54

Naja. Es ist nur 297,300Km/h (oder sowas in der Art) schnell.

Genau 299792458m/s, um genau zu sein.

Der Wert liegt in den durch die Unsicherheit des Urmeters bedingten Fehlergrenzen von 1983, was damals die Redefinition des Meters als 1/299792458 einer Lichtsekunde rechtfertigte.

Seitdem ist der Wert definitionsgemäß exakt.

Für die Fragestellung ist dies natürlich unerheblich.

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