Unterschied Photon und Phonon

Quantengurke · Anmeldungsdatum: 20.12.2009 Beiträge: 18

Hi,

hier mal eine Frage wo ich mir schon eine ganze Weile den Kopf drüber zerbreche.

Was ist der Unterschied zwischen Photon und Phonon?

In der Raumladungszone einer Diode werden ja z.B. bei direkten Übergängen Photonen (Licht) erzeugt, in indirekten Halbleitern Phononen (quantisierte Gitterschwingungen).

* Photon: Hohe Energie, wenig Impuls, ein Eichboson der elektroschwachen Wechselwirkung

* Phonon: Wenig Energie, viel Impuls, quantisierte Gitterschwingung.

Was ich etwas merkwürdig finde: Wenn ein Phonon viel Impuls hat, müsste es doch auch automatisch viel (Bewegungs-)Energie haben.

Außerdem: Die Gitterschwingung ist ja eigentlich ein "Zusammendrücken" der Atomgitterstruktur, welche auf Basis von elektrischen Kräfte-Gleichgewichten von

1. ionsierten Atome
2. van der Vaal-Kräften durch Dipolmomente
3. elektrisch zusammengehaltenen Atomen (Protonen und Elektronen)
4. ....

besteht. All diese Kräfte sind eigentlich elektromagnetischer Natur, die Übertragungsteilchen dieser Kräfte sind elektroschwacher Natur: Photonen. Daher müssten doch eigentlich die quantisiert auftretenden Phononen eigentlich Photonen sein (möglicherweise mit einer anderen Frequenz, Spin, was weiß ich).

Da z.B. bei LED-Raumladungszonen Photonen oder Phononen mit einer Energie in Abhängigkeit vom Bandabstand zwischen Valenz und Leitungsband auftauchen müssten dann doch eigentlich auch die gleichen Teilchen auftreten? Immerhin könnten doch auf Basis meiner wirren Gedanken eigentlich nur Photonen auftauchen, da Phononen als quasi-elektromagnetische Gitterschwingung (keine die im Vakuum ausfähig ist, aber doch eine elektromagnetische Welle) doch eigentlich Photonen sein sollten.

Was ist der Unterschied zwischen Phonen und Photon?

Das Standardmodell bietet:
Gravitonen (falls existent): zu schwach um die Vorgänge zu erklären
W-Bosonen: treten quasi nur bei schwachen Zerfällen auf
Z-Bosonen: Auch schwach, sehe ich nicht in der Verantwortung bei Gitterschwingungen
Gluonen: Haben eine extrem kurze Reichweite, beschränken sich daher nur auf Atomkerne.

...bleibt das Photon als Teilchen was für Gitterschwingungen verantwortlich ist.

Sorry das ich mir so einen Mist ausdenke, aber möglicherweise hat ja jemand ne Antwort

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18049

Du kannst natürlich das Phonon auf echte Elementarteilchen zurückführen. Dann spricht man von einem effektiven oder auch Quasiteilchen. D.h. man hat es mit einem Phänomen zu tun, dass Teilchenaspekte zeigt (Quantisierung einer Schwingung, Spin, ...), das allerdings nicht elementar ist. Davon gibt es in der Festkörperphysik viele, u.a. Polaron, Exziton, Plasmon, Magnon, ...

Wichtig dabei ist, dass man in einem bestimmten Energiebereich bzw. bei bestimmten Phänomen vernachlässigen kann, dass es sich nicht um elementare Teilchen handelt.

Quantengurke · Anmeldungsdatum: 20.12.2009 Beiträge: 18

Danke, die Antwort hilft mir schonmal weiter.

...was mir noch nicht ganz klar ist: In Raumladungszonen von Dioden entstehen bei direkten Halbleitern (Minimum und Maximum bzgl. Valenz und Leitungsband liegen im Impulsraum übereinander) bevorzugt Photonen, in indirekten Halbleitern Phononen.

Warum? Wenn bestehen die Phononen als Quasiteilchen dann aus Phononen mit niedriger Frequenz? Dafür möglicherweise mit hoher Intensität (viele statt hochenergetischer Teilchen, insgesamt die Gleiche Energie)

Was für mich so merkwürdig ist: Ein Phonon hat weniger Energie aber dafür mehr Impuls als ein Photon. Wie geht das? Wenn ein Teilchen viel Impuls hat, hat es doch auch viel Energie?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18049

Energie und Impuls hängen über eine sogenannte Dispersionsrelation zusammen.

I.A. gilt für freie Teilchen

Dabei habe ich c=1 gesetzt und m entspricht der Ruhemasse. Für Photonen gilt dabei m=0 und somit

Du musst die analoge Relation für Phononen betrachten. Außerdem musst du ggf. Statt E und p die Kreisfrequenz bzw. die Wellenzahl einsetzen.

Quantengurke · Anmeldungsdatum: 20.12.2009 Beiträge: 18

damit wäre E=p bei Photonen, während bei Phononen ganze Atome schwingen, also der m-Term nicht vernachlässigbar ist. Das würde die Sache erklären...

Warum statt der Phononen nicht direkt extrem hochenergetische Photonen entstehen (wenn E=p bei Photonen gilt)...?

Aber langsam komme ich zu einem schlüssigen Gesamtbild.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18049

Der wesentliche Unterschied ist und bleibt, dass es sich bei Phononen eben um kollektive Anregungen handelt, während Photonen elementare Objekte sind ...

Quantengurke · Anmeldungsdatum: 20.12.2009 Beiträge: 18

....und durch die Anregung von Atomen haben sie mehr Impuls, und dennoch weniger Energie.

Ok, du hast mein Weltbild eingerenkt. Ich danke vielmals! Thumbs up!

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18049

Du musst beachten, dass bei Photonen (und allgemein bei relativistischen Betrachtungen) die relativistische Energie-Impuls-Beziehung verwendet wird. Dabei spielt die Ruhemasse eine entscheidende Role (bei Photonen natürlich trivialerweise = 0). Bei Phonen wird dagegen die nichtrelativistische Beziehung genutzt, man kann das also nicht sofort vergleichen.

bishop · Moderator Anmeldungsdatum: 19.07.2004 Beiträge: 1133 Wohnort: Heidelberg

hrhr quantengurke ich wette ich weiss wer du bist und in welchem Forum du diese Frage schonmal gestellt hast^^