Das Photon ist eine Art Elementarteilchen, das alle Formen elektromagnetischer Strahlung trägt. Zu diesen Strahlungsarten gehören Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Photonen des sichtbaren Lichts, Infrarotlicht, Radiowellen und Mikrowellen.
Insbesondere sagt uns die Definition eines Photons (dargestellt durch das Symbol γ): „Ein Photon ist das Energiequantum in Form elektromagnetischer Strahlung, das von Materie emittiert oder absorbiert wird.“
Diese fundamentalen Teilchen sind stabil, sie haben keine Masse oder elektrische Ladung und bewegen sich im Vakuum mit einer konstanten Geschwindigkeit: der Lichtgeschwindigkeit.
Photonen werden bei vielen natürlichen Prozessen emittiert, wie zum Beispiel:
Wenn eine Ladung beschleunigt wird, 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 vernichten.
Im Standardmodell der Teilchenphysik werden Photonen und andere Elementarteilchen als notwendige Folge dessen beschrieben, dass die Prinzipien der Physik eine gewisse Symmetrie in der Raumzeit haben.
Welche Energie hat ein Photon?
Die Photonenenergie entspricht der Energie, die von einem einzelnen Photon getragen wird. Diese Energie hängt von der elektromagnetischen Frequenz und Wellenlänge ab. Folglich steigt die Energie mit zunehmender Frequenz und Wellenlänge des Photons.
Die am häufigsten verwendeten Einheiten zur Angabe der Energie dieser Teilchen sind das Elektronenvolt (eV) und das Joule (J). Ein Joule entspricht 6,24 × 10 18 eV.
Wozu dienen Photonen?
Diese fundamentalen Teilchen haben viele Anwendungen in der Technologie. Einige bemerkenswerte Beispiele sind:
Gewinnung elektrischer Energie: Beim Auftreffen eines Photons auf der Oberfläche eines Solarmoduls werden aufgrund des photovoltaischen Effekts Elektronen aus den Halbleitermaterialien freigesetzt. Die Summe dieser Ladungsbewegungen führt zu einem Gleichstrom.
Der Laser.
Chipherstellung.
Technik und Chemie: Sie werden sowohl zur Berechnung der Energieänderung infolge einer Photonenabsorption als auch zur Bestimmung der Frequenz des von einer bestimmten Photonenemission emittierten Lichts verwendet.
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.
Generierung von Zufallszahlen: Mehrere verschiedene Arten von Hardware-Zufallszahlengeneratoren beinhalten die Detektion einzelner Photonen.
Das Photon verhält sich wie eine Welle und wie ein Teilchen
Wie alle Elementarteilchen werden Photonen durch die Quantenmechanik erklärt. Sie weisen jedoch einen Welle-Teilchen-Dualismus auf, d. h. sie weisen gleichzeitig Wellen- und Teilcheneigenschaften auf.
Einerseits verhält es sich bei Phänomenen wie der Brechung wie eine Welle. Andererseits verhält es sich auch wie ein Teilchen, wenn es mit Materie interagiert, um eine feste Energiemenge zu übertragen.
Wann tauchte das Konzept des Photons zum ersten Mal auf?
In den meisten Theorien bis zum 17. und 18. Jahrhundert wurde angenommen, dass Licht aus Teilchen besteht. Da Teilchenmodelle jedoch bestimmte Phänomene nicht erklären konnten, schlugen einige Wissenschaftler Wellentheorien für Licht vor.
Das moderne Konzept des Photons wurde im frühen 20. Jahrhundert schrittweise von Albert Einstein entwickelt. Dieses Konzept wurde verwendet, um experimentelle Beobachtungen zu erklären, die nicht mit dem klassischen Modell von Licht als elektromagnetischer Welle übereinstimmten.
1926 prägten der optische Physiker Frithiof Wolfers und der Chemiker Gilbert N. Lewis für diese Teilchen den Begriff „Photon“.
