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Photonen und Wellen - einfache Erklärung zum Licht

In der Physik gibt es kaum etwas, dass interessanter und für den Laien weniger verständlich ist, als Photonen. Viele Eigenschaften vom Licht sind ohne diese Teilchen nicht zu erklären.

Absorbtion und Emmission eine Photons bedeutet keine Spaltung
Absorbtion und Emmission eine Photons bedeutet keine Spaltung

Die Struktur des Lichts

  • Die meisten Eigenschaften von Licht können erklärt werden, wenn man davon ausgeht, das Licht eine elektromagnetische Welle ist. Bezüglich der Interferenz und der Polarisation verhalten sich Lichtstrahlen, wie andere Wellen auch. Wenn Sie Licht im Hinblick auf diese Erscheinungen untersuchen, werden Sie keine Hinweise darauf finden, dass es aus Teilchen bestehen könnte.
  • Sobald Sie die Entstehung von Licht auf atomarer Ebene betrachten, werden Sie aber feststellen, dass dieses nur in kleinen Portionen erzeugt werden kann, was einer Wellenstruktur widerspricht.
  • Wenn Sie eine Metallplatte an einen Pol einer Gleichstromquelle anschließen, und eine, durch ein Vakuum davon getrennte, Elektrode an den anderen Pol, so führt Licht dazu, dass zwischen der Elektrode und der Platte Strom fließt. Es lösen sich also Elektronen aus der Platte. Das ist mit einer Wellentheorie nicht zu erklären.
  • Trivial betrachtet können Sie Licht, als Welle mit Nieselregen auf einem Schirm gleichsetzen. Photonen würden in dem Fall Hagelkörner darstellen. Nieselregen, der aus der gleichen Höhe wie Hagel fällt, kann einen Schirm nur benetzen, Hagel dagegen auch durchschlagen.
  • Auf der andern Seite würde Licht, das aus kleinen Teilchen besteht, bedeuten, dass es eine körnige Struktur haben müsste, also keine gleichförmige Welle sein kann. Da die Photonen aber einen gemeinsamen quantenmechanischen Zustand einnehmen, sind diese ununterscheidbar.

Anders  ausgedrückt: Man kann Licht als Teilchen betrachten, die sich wie Wellen verhalten oder als Wellen, die sich als Teilchen verhalten.

Eigenschaften von Photonen

Sie müssen zu dem Thema wissen, dass viele Eigenschaften und Phänomene mit Theorien erklärt werden, die zum Teil nicht bewiesen sind, aber über die Plausibilität als richtig betrachtet werden müssen. Dabei wird ein theoretisches Modell erarbeitet, mit dessen Hilfe Voraussagen über Erscheinungen gemacht werden. Wenn im Experiment erwiesen wird, dass diese Erscheinungen, wie vermutet eintreffen, dann gilt die Theorie als nicht widerlegt, also, als mit großer Wahrscheinlichkeit als richtig.

  • Zu den Beobachtungen des Lichts gehören Phänomene, wie zum Beispiel, dass ein Atom plötzlich Licht abstrahlt. Ein Lichtteilchen entsteht also plötzlich. Manche Stoffe absorbieren Licht, das Teilchen wird also wieder vernichtet. Dabei kann es vorkommen, dass ein Photon sich scheinbar teilt. Diese Teilbarkeit wird damit erklärt, dass ein Photon vernichtet wird und dabei ein Atom mit Energie versorgt. Das führt dazu, dass dieses unter Umständen zwei neue Photonen aussendet. Das Teilchen teilt sich also nicht, sondern wird vernichtet und es entstehen neue Teilchen.
  • Photonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, da die Lichtgeschwindigkeit in Materie geringer als im Vakuum ist, daher liegt die Vermutung nahe, dass die Geschwindigkeit eines Photons abgebremst werden kann. Diese geringere Geschwindigkeit beruht auf einer Wechselwirkung der Lichtwelle mit den Atomen. Obwohl eine Lichtwelle in einem Medium sogar angehalten werden kann, wird dies aber nicht mit einer Abbremsung von Photonen gleichgesetzt. Auch die Idee, dass in einem Medium Photonen mit Lichtgeschwindigkeit von einem Atom zum anderen springen und dabei abwechselnd absorbiert und abgesondert werden, gilt als nicht korrekt, da es in transparenten Stoffen keine Absorption gibt.
  • Da Photonen sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, können Sie keine Masse haben. In diesem Zusammenhang ist eine Ruhemasse gemeint. Ein Teilchen, das nur in Bewegung denkbar ist, kann keine Ruhemasse haben.
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