Licht aus Photonen - Bauteile des Lichts?
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Licht aus Photonen

Oft werden Photonen als die Bauteile vorgestellt, aus denen Licht besteht. Tatsächlich stimmt es, dass die Quanten, die von Atomen aus dem Licht absorbiert (aufgenommen) werden, mit den Elementarteilchen, die man Photonen nennt, identisch sind. Allerdings sollte man sich das nicht so vorstellen als sei Licht ein Strom aus kleinen Teilchen oder Wellenpaketen. Ein Photon ist weder ein klassisches Teilchen noch ein Wellenpaket. In diesem Abschnitt möchte ich kurz darstellen, wie das Photonenbild physikalisch richtig verstanden werden kann.

Elementarwellen

Der erste Schritt, reales Licht mathematisch zu beschreiben ist die Zerlegung des Lichts in Elementarwellen. Reales Licht besteht immer aus verschiedenen Wellenlängen, die in einem Glasprisma in die Farben des Regenbogens zerlegt werden können. Eine ähnliche Zerlegung einer Welle ist auch mathematisch möglich. Eine beliebige Welle kann in unendlich viele Elementarwellen zerlegt werden, deren Überlagerung wieder die ursprüngliche Welle ergibt. Eine Elementarwelle ist nur ein Denkmodell, das mathematisch beschrieben werden kann. Sie ist unendlich lang und hat eine exakt definierte Wellenlänge. Obwohl Elementarwellen tatsächlich unendlich lang sind und somit keine realen Wellen bescheiben können, kann man mathematisch Überlagerungen definieren, die endlich lange Wellenzüge beschreiben.

Quantisierung zu Photonen

Im nächsten Schritt werden die Elementarwellen zu Photonen quantisiert. Quantisieren heißt hierbei, dass die Elementarwellen nicht jede beliebige Gesamtenergie haben können. Ihre Energien können nur in Stufen (Quanten) zu- und abnehmen. Auf diese Erkenntnis kam Max Planck zum ersten Mal, als er die Strahlung schwarzer Körper mathematisch beschreiben wollte. Später zeigte sich, dass Quantisierung nicht nur in Plancks spezieller Rechnung, sondern in der gesamten Quantenwelt (also in mikroskopischen Dimensionen) ein gewöhnliches Phänomen ist.

Die Photonen des Lichts "erben" die Eigenschaften der Elementarwellen: Sie sind unendlich lang und haben eine fest definierte Frequenz und Wellenlänge. Sie haben aber zudem eine feste Energie, die nur von ihrer Frequenz abhängt, und sie tragen auch Impuls und Drehimpuls.

Dass die unendlich langen Photonen eine begrenzte Energie haben (damit ist ihre Energiedichte Null) scheint zunächst etwas verwunderlich. Mathematisch wird das gerechnet, indem man den sogenannten Limes (Grenzwert) bildet. Man rechnet also Photonen, die in einem bestimmten Raumbereich "eingesperrt" sind und denkt sich diesen Bereich immer größer werdend. Dabei zeigt sich, dass die Photonenenergie nicht wächst, wenn man den Raum unendlich groß werden lässt.

Letzte Änderung: 05.09.2005