Menu

Panels Photovoltaische Solarenergie

Installation solarthermischer

Solarkraftwerk
Thermo

Was ist ein Photon?

Ein Photon ist das Energiequantum in Form von elektromagnetischer Strahlung, die von Materie emittiert oder absorbiert wird.

Was ist ein Photon?

Das Photon ist eine Art Elementarteilchen. Nach den Prinzipien der Quantenphysik ist es das Quantum des elektromagnetischen Feldes. Es ist das Trägerteilchen aller Formen elektromagnetischer Strahlung, einschließlich:

  • Gammastrahlen.
  • Röntgenstrahlen.
  • Ultraviolettes Licht.
  • Sichtbares Licht.
  • Infrarotlicht.
  • Mikrowellen.
  • Radiowellen.

Photonen haben in Ruhe keine Masse. Sie bewegen sich im Vakuum immer mit Lichtgeschwindigkeit.

Das Photon hat einen Spin von 1 und ist daher ein Boson; Da seine Masse in Ruhe Null ist, kann die Helizität des Photons nur 1 oder -1 sein, nicht jedoch 0.

Das Photon wird durch das Symbol γ dargestellt.

Ist das Photon eine Welle oder ein Teilchen?

Wie alle Elementarteilchen werden Photonen durch die Quantenmechanik erklärt. Sie zeigen jedoch eine Welle-Teilchen-Dualität und gleichzeitig Wellen- und Teilcheneigenschaften.

Es verhält sich wie eine Welle in Phänomenen wie der Brechung, die in einer Linse stattfindet, oder in der Aufhebung durch destruktive Interferenz reflektierter Wellen; Es verhält sich jedoch wie ein Teilchen, wenn es mit Materie interagiert, um eine feste Energiemenge zu übertragen. Diese Energie ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge.

Beispielsweise kann eine Linse ein einzelnes Photon brechen und sich dabei wie eine Welle selbst stören. Oder es kann als Partikel wirken, das eine definierte Position und eine messbare Bewegungsmenge hat.

Beobachtung

Die Wellen- und Quanteneigenschaften des Photons sind zwei beobachtbare Aspekte desselben Phänomens.

Seine Natur kann nicht mit einem mechanischen Modell beschrieben werden. Daher ist auch die Darstellung dieser doppelten Eigenschaft des Lichts, die davon ausgeht, dass Energie an bestimmten Punkten der Wellenfront konzentriert ist, unmöglich.

Die Quanten in einer Lichtwelle können nicht im Raum lokalisiert werden; Einige definierte physikalische Parameter des Photons werden notiert.

Das Photon in der Teilchenphysik

Im Standardmodell der Teilchenphysik werden Photonen und andere Elementarteilchen als notwendige Folge der Tatsache beschrieben, dass die Gesetze der Physik eine gewisse Symmetrie in der Raumzeit haben. Die intrinsischen Eigenschaften von Partikeln wie elektrische Ladung, Masse und Spin werden durch die Eigenschaften dieser Eichsymmetrie bestimmt.

Das Photonenkonzept hat zu weitreichenden Fortschritten in der theoretischen und experimentellen Physik geführt. Zum Beispiel:

  • Laser
  • Das Bose-Einstein-Kondensat
  • Quantenfeldtheorie
  • Die probabilistische Interpretation der Quantenmechanik.

Es wurde in der Photochemie, in der hochauflösenden Mikroskopie und bei der Messung molekularer Abstände angewendet. In jüngster Zeit wurden Photonen als Element von Quantencomputern und für ihre Anwendungen in optischen Bildern und optischer Kommunikation wie der Quantenkryptographie untersucht.

Eigenschaften eines Protons

Ein Photon hat keine Masse, keine elektrische Ladung und ist ein stabiles Teilchen.

Im Vakuum hat ein Photon zwei mögliche Polarisationszustände. Das Photon ist das Messboson für Elektromagnetismus. Daher sind alle anderen Quantenzahlen im Photon (wie die Anzahl der Leptonen, die Anzahl der Baryonen und die Geschmacksquantenzahlen) Null. Darüber hinaus folgt das Photon nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip, sondern der Bose-Einstein-Statistik.

Photonen werden in vielen natürlichen Prozessen emittiert. Zum Beispiel:

  • Wenn eine Ladung beschleunigt, sendet sie Synchrotronstrahlung aus.
  • Während eines molekularen, atomaren oder nuklearen Übergangs zu einem niedrigeren Energieniveau werden Photonen verschiedener Energien emittiert, die von Radiowellen bis zu Gammastrahlen reichen.
  • Wenn ein Teilchen und sein entsprechendes Antiteilchen vernichtet werden (zum Beispiel Elektronen-Positronen-Vernichtung).
    ZusammensetzungElementarteilchen
    InteraktionenElektromagnetisch, schwach, Schwerkraft
    Symbolc
    TheoretisiertAlbert Einstein (1905)
    Der Name "Photon" wird allgemein Gilbert N. Lewis (1926) zugeschrieben.
    Durchschnittliche LebensdauerStabil
    Elektrische Ladung0 <1 × 10  –35   e 
    Spin1
    Parität−1
    C Parität−1

    Wofür werden Photonen verwendet?

    Photonen haben viele Anwendungen in der Technologie. Zum Beispiel der Laser.

    Der Laser ist eine äußerst wichtige Anwendung.

    Einzelne Photonen können mit verschiedenen Methoden nachgewiesen werden. Die klassische Photovervielfacherröhre nutzt den photoelektrischen Effekt: Ein Photon mit ausreichender Energie trifft auf eine Metallplatte und setzt ein Elektron frei, wodurch eine immer größer werdende Elektronenflut ausgelöst wird.

    Chips

    Halbleiterladungsgekoppelte Bauelementchips verwenden einen ähnlichen Effekt: Ein einfallendes Photon erzeugt eine Ladung in einem mikroskopischen Kondensator, die erfasst werden kann. Andere Detektoren wie Geigerzähler nutzen die Fähigkeit von Photonen, die in der Vorrichtung enthaltenen Gasmoleküle zu ionisieren, was zu einer nachweisbaren Änderung der Leitfähigkeit des Gases führt.

    Ingenieurwesen und Chemie

    Ingenieure und Chemiker verwenden es häufig im Design. Sie werden sowohl zur Berechnung der Energieänderung aufgrund der Photonenabsorption als auch zur Bestimmung der Frequenz des von einer bestimmten Photonenemission emittierten Lichts verwendet.

    Zum Beispiel kann das Emissionsspektrum einer Gasentladungslampe geändert werden, indem sie mit (Gemischen von) Gasen mit unterschiedlichen Einstellungen für das elektronische Energieniveau gefüllt wird.

    Unter bestimmten Bedingungen kann ein "Energieübergang" durch "zwei" Photonen angeregt werden, die einzeln nicht ausreichen würden. Dies ermöglicht eine Mikroskopie mit höherer Auflösung, da die Probe Energie nur in dem Spektrum absorbiert, in dem sich zwei Strahlen unterschiedlicher Farben signifikant überlappen, was viel kleiner gemacht werden kann als das Anregungsvolumen eines einzelnen Strahls (siehe Zwei Anregungsmikroskopie). Photonen). Darüber hinaus schädigen diese Photonen die Probe weniger, da sie eine geringere Energie haben.

    Molekularbiologie

    In einigen Fällen können zwei Energieübergänge gekoppelt werden, so dass, wenn ein System ein Photon absorbiert, ein anderes nahe gelegenes System seine Energie "stiehlt" und ein Photon mit einer anderen Frequenz wieder emittiert. Dies ist die Grundlage des Fluoreszenzresonanzenergietransfers, einer in der Molekularbiologie verwendeten Technik zur Untersuchung der Wechselwirkung geeigneter Proteine.

    Erzeugung von Zufallszahlen

    Verschiedene Arten von Hardware-Zufallszahlengeneratoren umfassen die Detektion einzelner Photonen.

    In einem Beispiel wird für jedes Bit in der zu erzeugenden Zufallssequenz ein Photon an einen Strahlteiler gesendet. In einer solchen Situation gibt es zwei mögliche Ergebnisse mit gleicher Wahrscheinlichkeit. Das tatsächliche Ergebnis wird verwendet, um zu bestimmen, ob das nächste Bit in der Sequenz "0" oder "1" ist.

    Wann erschien das Konzept des Photons zum ersten Mal?

    In den meisten Theorien bis zum 17. und 18. Jahrhundert wurde Licht als Teilchen betrachtet. Die Tatsache, dass Teilchenmodelle Phänomene wie Beugung, Brechung oder Doppelbrechung von Licht nicht erklären konnten, veranlasste René Descartes, Robert Hooke und Christian Huygens, Wellentheorien für Licht vorzuschlagen. Die Partikelmodelle blieben jedoch hauptsächlich aufgrund des Einflusses von Isaac Newton in Kraft.

    Albert Einstein

    Das moderne Konzept des Photons wurde von Albert Einstein im frühen 20. Jahrhundert schrittweise entwickelt. Dieses Konzept wurde verwendet, um experimentelle Beobachtungen zu erklären, die nicht mit dem klassischen Modell des Lichts als elektromagnetische Welle übereinstimmten.

    Das Photonenmodell stimmte mit der Tatsache überein, dass die Energie des Lichts von seiner Frequenz abhing. Es erklärte die Fähigkeit von Materie und elektromagnetischer Strahlung, sich im thermischen Gleichgewicht zu befinden. Darüber hinaus erklärte das Photonenmodell auch bestimmte anomale Beobachtungen wie die Schwarzkörperstrahlung, die andere Physiker mit halbklassischen Modellen zu erklären versucht hatten. Zum Beispiel Max Planck.

    Planck-Modell

    In Plancks Modell wurde Licht durch Maxwells Gleichungen beschrieben, aber materielle Objekte, die Licht emittierten und absorbierten, taten dies in diskreten Energiepaketen. Obwohl diese semiklassischen Modelle zur Entwicklung der Quantenmechanik beigetragen haben, bestätigen mehrere nachfolgende Experimente Einsteins Hypothese, dass Licht selbst quantisiert wird. Beginnend mit dem Compton-Effekt.

    Akzeptanz des Begriffs

    Der optische Physiker Frithiof Wolfers und der Chemiker Gilbert N. Lewis prägten 1926 den Begriff "Photon" für diese Teilchen.

    Nachdem Arthur H. Compton 1927 den Nobelpreis für seine Streustudien erhalten hatte, akzeptierten die meisten Wissenschaftler, dass Lichtquanten eine unabhängige Existenz haben und der Name des Photons von diesen Quanten akzeptiert wurde.

    Wie hängen Photonen mit der Photovoltaik-Solarenergie zusammen?

    Photovoltaik-Solarenergie besteht aus der Umwandlung von Sonnenstrahlung in Elektrizität. Sonnenstrahlung wandert durch die Photonen von der Sonne zur Erde.

    Einige der Photonen treffen auf die erste Oberfläche des Solarpanels. Sie dringen hinein. Die Halbleitermaterialien der Photovoltaikplatten absorbieren sie.

    Die Photonen treffen auf die in den Atomen der Halbleiter vorhandenen Elektronen. Auf diese Weise werden Elektronen aus ihren Atomen freigesetzt. Freie Elektronen können sich durch einen Leiter bewegen und elektrischen Strom erzeugen. Es ist Elektrizität.

      Was ist der Krieg der Strömungen?
      Krieg der Strömungen in den USA

      Der Krieg der Ströme ist ein Begriff für den Kampf zwischen den Herstellern der beiden verschiedenen Speisesysteme Wechselstrom und Gleichstrom in den Vereinigten Staaten.

      18. April 2020

      Stirlingmotor
      Stirlingmotor

      Die Stirling Engine wurde als Alternative zur Dampfmaschine erfunden. Ihr Betrieb basiert auf der Ausdehnung und Kontraktion eines Gases unter Verwendung einer Wärmequelle.

      20. März 2018

      Was ist kinetische Energie?
      Was ist kinetische Energie?

      Kinetische Energie ist eine Energieform, die ein Körper aufgrund der Massenträgheit in Bewegung hat. Die kinetische Energie ist direkt proportional zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit.

      8. Mai 2019

      Was bedeutet Photovoltaik?
      Was bedeutet Photovoltaik? Konzept über Sonnenenergie

      Photovoltaik ist alles, was mit der Umwandlung von Licht in elektrische Energie zu tun hat. Photovoltaik-Module entwickeln dieses Konzept.

      11. Juni 2020

      Dampfturbine
      Dampfturbine

      Eine Dampfturbine ist eine Vorrichtung, die verwendet wird, um den hohen Dampfdruck in die Drehung einer Achse umzuwandeln, die eine Leistungsabgabe liefert.

      26. April 2019

      Was ist das Wärmegefühl?
      Wärmegefühl

      Das Wärmegefühl ist ein Maß für das Gefühl von Kälte oder Wärme, das Menschen in der Luft als Funktion von Wind, Sonne oder Feuchtigkeit wahrnehmen.

      16. März 2020

      Elektrolyt
      Elektrolyt

      Bei Batterien, die in Photovoltaikanlagen verwendet werden, ist der Elektrolyt eine verdünnte Schwefelsäurelösung, in der die verschiedenen Prozesse, die das Laden und Entladen der Batterie ermöglichen, verifiziert werden.

      26. Februar 2018

      Häufig gestellte Fragen
      Häufig gestellte Fragen zur Solarenergie

      Häufig gestellte Fragen und Antworten zu inländischen Solaranlagen. Photovoltaik und thermische, Amortisation, Wartung ...

      5. Oktober 2018

      Autor:

      Erscheinungsdatum: 13. Mai 2015
      Geändert am: 1. Mai 2020