1. Licht und Strahlung

Photonen    (3/4)

Welche Eigenschaften haben Photonen?

• Ihre Geschwindigkeit ist extrem viel höher als die Geschwindigkeit von Teilchen, die wir aus unserer täglichen Erfahrung kennen: sie breiten sich im Vakuum mit der Geschwindigkeit
  
  c=2,998·10⁸ m/s
  aus. Dies ist die Lichtgeschwindigkeit, die wir bereits bei den elektromagnetischen Wellen gefunden hatten. In transparenter Materie ist die Geschwindigkeit der Photonen kleiner, ebenfalls wie bei den elektromagnetischen Wellen. Photonen können sich nicht schneller, aber auch nicht langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen!
• Photonen haben keine Masse wie die uns aus unserem Alltag bekannten Teilchen.
• Photonen haben eine Energie E und einen Impuls p:
  $E=hf$                      $p=\frac{h}{\lambda }$
  Die Größen f und λ sind die Frequenz und die Wellenlänge elektro- magnetischer Wellen.
• So formuliert erscheinen die Beziehungen für Energie und Impuls zunächst widersprüchlich. Sie verknüpfen die Eigenschaften von Teilchen (Energie, Impuls) mit den Eigenschaften von Wellen (Frequenz, Wellenlänge). Sie sollten vermeintlich nichts miteinander zu tun haben können, da Teilchen und Wellen nach unserem Verständnis doch ganz andersartige Objekte sind. Für die Quantenphysik ist dies jedoch sehr charakteristisch. Licht besitzt gleichzeitig die Eigenschaften von Wellen und Teilchen! Dies wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.
• Wellen und Teilchen sind komplementäre Modelle des Lichts:
  $f\leftrightarrow E$
  $\lambda \leftrightarrow p$
• Die Verknüpfung von Wellen- und Teilcheneigenschaften geschieht durch das Plancksche Wirkungsquantum
  
  h=6,626·10^-34 J s .
  Das Plancksche Wirkungsquantum ist eine fundamentale Natur- konstante der Quantenphysik.

Masse, Impuls und Energie von Teilchen und Photonen werden in der Ergänzung 1.5 ausführlicher erläutert.

In welchen Einheiten werden Photonenenergien angegeben? Die Einheit Joule (oder: Wattsekunde) ergäbe für Photonen im sichtbaren Bereich sehr kleine Zahlenwerte von etwa 10^-20 J. Man bevorzugt daher das Elektronenvolt (eV). Ein Wert von 1 eV entspricht in SI-Einheiten der Energie 1,6·10^-19 J.

Das Spektrum des sichtbaren Lichts, über die Wellen- länge und die Photonenenergie aufgetragen.

Wir können nun den Fragen nachgehen, die bisher nicht beantwortet werden konnten: Was ist Energie und Intensität, welches Licht bräunt die Haut, wie sehen wir Farben...

Photonen können von Atomen und Molekülen absorbiert werden, sofern die Photonenenergie für eine Absorption den richtigen Wert hat. Andernfalls ist ein beleuchtetes Objekt durchsichtig oder reflektierend. Eine Bräunung der Haut entsteht durch chemische Reaktionen, die Photonenenergien von etwa 3 eV erfordern, was blauem oder ultra- violettem Licht um 400 nm entspricht. Licht, das diese spektralen Anteile nicht enthält - wie etwa das Licht einer Glühlampe - ist daher für eine Bräunung nicht geeignet.