Wie funktioniert das mit dem Lichtdruck?
Es gibt ja diesen Lichtdruck, der Z.B. in Sternen wirkt oder zukünftige Raumschiffe mit Sonnensegel durch einen Laser antreiben könnte.
Jetzt verstehe ich nur eins nicht: Da Photonen keine Masse haben, wie können sie diesen Druck ausüben? Das ist ja letztendlich eine Kraft mit Masse mal Beschleunigung, und wenn die Masse =0 ist, dann dürfte es doch nach dieser Logik keinen Druck geben, oder?
Ich verstehe das nicht... oder mache ich einfach einen Denkfehler? Kann mir das jemand erklären?
5 Antworten
photonen haben zwar keine masse aber einen impuls, und können somit auch impuls übertragen. und eine änderung des impuls ist nichts anderes als eine kraft.
du kannst für photonen - relativistische objekte - nicht mit den formeln der Newtonschen mechanik die man in der schule lernt rechnen. die sind hier alle falsch.
Hallo 0Meeri7,
Masse ist im Grunde nur "kondensierte" Energie, die ein Körper selbst in seinem Ruhesystem noch hat. Man spricht auch von seiner Ruheenergie.
Ein mit konstanter 1D-Geschwindigkeit v bewegter Körper oder Teilchen mit der Ruheenergie E₀ hat insgesamt die Energie
(1.1) E = E₀/√{1 − (v⁄c)²} =: E₀∙γ
wobei
E − E₀ = E₀(γ − 1) = Eₖ
seine kinetische Energie ist. Wenn man (1) nach v auflöst, ergibt sich
(1.2) v = c√{1 − (E₀⁄E)²},
d.h., um so schnell zu werden, dass man sein Tempo kaum mehr von c unterscheiden kann, muss seine Gesamtenergie so groß sein, dass seine Ruheenergie dagegen verschwindend klein wird. Umgekehrt kann sich ein Teilchen (z.B. Photon) mit E₀ = 0 nur mit c bewegen.
Würdest Du entlang eines gebündelten, monochromatischen Lichtstrahls beschleunigen, um irgendwann mit dem Photonen mitzuhalten, würden sie relativ zu Dir nicht langsamer, sondern immer langwelliger und energieärmer, bis sie schließlich quasi verschwinden würden, weil sich ihre Wellenlänge ins Unendliche streckt.
Um Kraft auszuüben, brauchen Teilchen einen Impuls. Zwischen Energie E und Impuls p besteht die Beziehung
(2.1) E² = E₀² + c²p²,
die man nach p auflösen kann:
(2.2) p² = (E⁄c)² − (E₀⁄c)²
Das bedeutet: Ruheenergie ist für einen Impuls nicht erforderlich. Ohne sie ist einfach
(2.3) p = E⁄c.
Über die Leistung, also die Energie pro Zeit, bekommst Du eine Kraft, und wenn Du die durch die Fläche teilst, auf die das Licht auftrifft, erhältst Du den Druck.
Photonen haben aber einen Impuls. Die newtonsche Physik mit p=m*v gilt für Photonen nicht da sich diese Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Wenn sie einen Impuls haben und reflektiert oder absorbiert werden geben sie nach der Impulserhaltung diesen Impuls nun weiter und das ist dann auch eine Kraft F=dp/dt
eins der vielen Beispiele, dass die Kenntnis einer Gleichung nicht die Kenntnis des ganzen Zusammenhangs beinhaltet. Da Kraft die zeitliche Änderung eines Impulses ist, und Photonen einen Impuls von p = c/𝞴 mitbringen, überträgt jedes bei Reflektion den Impuls von 2p auf das Objekt. Die Anzahl Photonen pro Zeit ergibt so eine Kraft.
Der Lichtdruck (auch Strahlungsdruck genannt) entsteht durch die Übertragung von Energie (Photonen haben zwar keine Masse, aber Energie) auf eine physische Struktur.
Wird das Photon vollständig reflektiert, ist die Energieübertragung höher, als wenn es absorbiert wird.