Warum kann Materie aus dem nichts entstehen - Photonen?

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5 Antworten

Elektronen können Photonen "erzeugen", wenn sie von einem höheren Energieniveau in ein tieferes gehen. d.h. die Energie, die das Eletron nicht "für sich selber" braucht, um in der Energiebahn zu bleiben, "schickt es weg". Umgekehrt kann ein Elektron auch Photonen "aufessen", um in ein höheres Energieniveau zu gelangen, das hat Einstein z.B. mit dem photoelektrischen Effekt bewiesen.

d.h. die Energiegleichung bleibt gleich, nur die Form ändert sich von "aufgeregtem" Elektron in "beruhigtes" Elektron plus Photon (Aufregung geht weg).

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Accountowner08 01.04.2016, 12:36

Was daran "Quantenmechanik" ist, ist die Tatsache, dass das ausgesandte Photon nicht jede Frequenz haben kann, sondern nur genau die, die der abgegebenen Energie des "Quantesprunges" entspricht (daher die spektren der verschiedenen Elemente) und dass auch nur ganz bestimmte Frequenzen geeignet sind, das Elekron auf eine "höhere Umlaufbahn" zu bringen, und dass es dazwischen Frequenzen gibt, die gar nichts bewirken.

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grtgrt 04.04.2016, 11:21

Ein Elektron kann nur dann ein Photon abstrahlen (also erzeugen), wenn es - als einem Atom oder Molekül zugeordnet - in einen weniger angeregten Zustand zurückfällt.

Es spaltet sich dann also auf in ein Photon und ein weniger energiereiches Elektron. Die Summe der Energie beider ist exakt die Energie, die das Elektron vorher dargestellt hat.

Es ist hier also keine Energie aus dem Nichts entstanden.

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grtgrt 04.04.2016, 11:27
@grtgrt

Einzig und allein durch Quantenfluktuation kann Materie aus dem Nichts entstehen. 

Es entsteht dann stets ein Paar von Teilchen gleicher Energie, deren eines Materie und deren anderes Antimaterie darstellt.



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Accountowner08 04.04.2016, 11:30
@grtgrt

Auch nicht wirklich aus dem nichts, auch da muss die Erhaltung der Energie gewahrt bleiben...

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grtgrt 04.04.2016, 11:39
@Accountowner08

Die Energie kommt aus dem Vakuum, und das einzige Nichts, das die Physik kennt, ist das Vakuum.

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Accountowner08 04.04.2016, 15:59
@grtgrt

Sag, du scheinst dich hier auszukennen: wozu braucht man eigentlich die ganze quantenmechanische Rechnerei? Was rechnet man sich damit aus? Will man wirklich nur herausfinden, wo genau sich jetzt das Elektron beim Wasserstoffatom befindet?

Und was genau rechnet man sich aus? ist die "Unbekannte", die gefunden werden muss die Wellenfunktion?

Irgenwie verstehe ich nicht ganz, wozu das Ganze gut ist...

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Hallo nolifegamer,

die Frage kann man so eigentlich nicht beantworten, sorry. Du müsstest schon sagen, unter welchen Umständen Dein Elektron Deiner Meinung nach das Photon aussendet...

Ein Elektron sendet ja nicht spontan einfach ein Photon aus. Das kann es nur unter bestimmten Bedingungen - und ja, klar, zu diesen Bedingungen haben die Erhaltungssätze schon eine Menge zu sagen.

Ein Elektron kann zum Beispiel ein Photon aussenden, wenn es im Atom gebunden ist, aber auf einem höheren Energieniveau war. Aus diesem angeregten Zustand kann das Elektron in den Grundzustand zurück - und dabei ein Photon aussenden. Das MUSS es dann auch, gerade WEGEN des Energieerhaltungssatzes, denn bei der Rückkehr in den Grundzustand muss es die Energie loswerden. Und die nimmt das Photon mit.

Photonen werden zum Beispiel auch frei, wenn Elementarteilchen zusammenstoßen und sich dabei in andere Teilchen umwandeln. Auch dann kann noch Energie in Form von Photonen mitgenommen werden.

Bei allen solchen Teilchenreaktionen müssen aber  immer die Erhaltungssätze über alle Eingangs- und Ausgangsteilchen gültig sein, nicht nur der Energieerhaltungssatz, die anderen auch. Nur so konnte Pauli z.B. die Existenz des Neutrinos postulieren.

Grüße

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Photonen habe zwar einen Impuls, jedoch keine Ruhemasse.

Die Energieerhaltung wird nicht verletzt, da die Ruheenergie eines Teilchens E=mc^2 ist. Diese Gleichung wird auch bei der Entstehung von Materie nicht verletzt. Je nach Geschwindigkeit der entstehenden Teilchenpaare (Teilchen und Antiteilchen), muss aber die Energie der Teilchen relativistisch (spezielle Relativitätstheorie) berechnet werden.

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JTKirk2000 31.03.2016, 06:35

Gute Antwort. Kleiner Tipp für die Zukunft: Mit "Alt Gr" und "2" kann man ² schreiben, und mit "Alt Gr" und "3" kann man ³ schreiben. Das müsste eigentlich auf jeder PC-Tastatur stehen. Es sei denn natürlich, Du hast die Antwort nicht an einem PC geschrieben.

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nolifegamer 31.03.2016, 06:59

Doch sie haben eine Masse, denn sonst gäbe es keine schwarzen Löcher (?)

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JTKirk2000 31.03.2016, 07:03
@nolifegamer

Doch sie haben eine Masse, denn sonst gäbe es keine schwarzen Löcher (?)

Hast Du schon mal etwas vom Gravitationslinseneffekt gehört? Der hat etwas mit Raumkrümmung zu tun. Was sich durch einen gekrümmten Raum bewegt, hat auch eine augenscheinlich gekrümmte Bewegungsrichtung, obwohl eigentlich nicht die Bewegungsrichtung gekrümmt wird, sondern nur der Raum. Bei einem Schwarzen Loch tritt beim Schwarzschildhorizont dahingehend der Extremfall ein, was die Krümmung des Raumes und wohl auch der Zeit angeht.

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Reesh 31.03.2016, 08:40
@JTKirk2000

Bitte achtet darauf, dass ich Ruhemasse geschrieben habe.

Hierzu sollte der passende Wikipediaartikel (https://de.wikipedia.org/wiki/Photon#Masse) weiterhelfen.

Die Masse eines Photons kann über dessen Energie bestimmt werden, aber es hat keine Ruhemasse.

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JTKirk2000 31.03.2016, 09:15
@Reesh

Das weiß ich, aber vielen Dank für den Hinweis.

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Als Ergänzung zu den bisherigen richtigen Antworten:

Photonen werden allgemein nicht als Materie bezeichnet, sondern nur die (fermionischen) Quarks und Leptonen, und deren Kombinationen.

Für Materie gelten die schon erwähnten Erhaltungssätze.
Du kannst mit aller Energie der Welt kein Elektron erschaffen oder vernichten.
Durch die Schwache Wechselwirkung kannst du es aber in Neutrino umwandeln, es ist aber vor- wie nachher 1 Lepton.
Ferner kannst du Paare aus Teilchen und Antiteilchen erzeugen, und Antiteilchen habe eine negative Anzahl, so ist die Gesamtanzahl vor- wie nachher 0.

Für die (bosonischen) Austauschteilchen gelten keine Erhaltungssätze.
Du kannst ein Photon erzeugen und später wieder vernichten.

Neben diesen Erhaltungssätzen gibt es noch das allgemeine Gesetz von der Erhaltung der Energie=Masse.
Wenn z.B. ein Elektron in eine niedrigere Schale springt, und das emittierte Photon ein bestimmte Energie hat, dann ist diese Energie gleich der Energiedifferenz zwischen den beiden Schalen.

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Du musst konkret einen Versuch beschreiben, mit dem, was du meinst. Welche Bedingungen? Was passiert mit dem Elektron? Nur soviel: Es gibt bis heute keinen einzigen Versuch, der dem Energieerhaltungssatz widerspricht. Könntest du also konkreter sagen, was du meinst, dann könnte man deinen Widerspruch sicher auflösen. Noch eine zweite Sache: Es kommt darauf an, was du mit Masse meinst. Wenn du die reine Ruhemasse nimmst, dann haben Photonen keine, allerdings gibt es sowieso kein Ruhebezugssystem für Photonen, die Ruhemasse bei Photonen ist also prinzipiell ein unsinniger Begriff. Meinst du aber mit Masse das, was die Trägheit bestimmt, dann haben Photonen mit m = E / c^2 sehr wohl eine Masse, diese ist aber nicht per se nur gering, sondern hängt von der Frequenz der Photonen ab.

Und noch etwas Drittes: Die Quantenmechanik ist eine der besten physikalischen Theorien überhaupt. Sie ist aber, wie jede physikalische Theorie und hier insbesondere, zutiefst mathematisch, der Ausdruck "keine Mathegesetze" ist also vollkommener Unsinn.

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