Photonen und quantisierter Austausch

tomi · Gast

Meine Frage:
Hi,
Im wikipedia artikel "photon" steht folgendes: Planck selbst stellte sich allerdings noch nicht die elektromagnetische Strahlung an sich quantisiert vor, sondern nur den Energieaustausch.

Das entspricht auch meiner Intuition. Gibt es gute Gründe dafür, dass Licht auch "im Flug" quantisiert ist?

Meine Ideen:
Man kann doch gar keine Aussage darüber machen, ob Licht im Vakuum quantisiert ist oder nicht. Jede Detektion geschieht über Energieaustausch.
Das zB ein Elektron nur zwischen diskreten Zuständen absorbiert und emittiert, hängt doch mit den Randbedingungen des Elektrons ab und nicht mit den Eigenschaften des Lichts??

Ich stelle mir das so vor: Man kauft für die ganze Familie das selbe Weihnachtsgeschenk (Elektronen), sagen wir 10 Stück, für jeden ein Exemplar. Beim Verpacken (Energieaustausch) braucht man immer gleichviel Papier und Band (Licht), aber nicht weil das Papier und Band quantisiert sind, sondern weil die Geschenke nunmal nur eine (diskrete) Grösse haben...

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18018

Zunächst ist ja nicht die Energie E, sondern die Wirkung S quantisiert; die Energie E sowie die Frequenz omega können dagegen beide kontinuierlich sein. Das ist die Aussage von

bzw.

Die letzte Gleichung besagt, dass das elektromagnetische Feld aus Quanten fester Wirkung hbar "besteht".

Erst wenn man eine feste Frequenz auswählt, ist zu dieser einen Frequenz auch die Energie quantisiert, nämlich in Vielfachen von

Betrachtet man also ein elektromagnetisches Feld fester Frequenz, d.h. monochromatisches Licht, so erwartet man einzelne Photonen.

Die Aussage, dass nicht das elektromagnetische Feld sondern „nur“ die Emission quantisiert ist, ließe nun den Schluss zu, dass auch kontinuierliche Wirkungen S existieren. Im Falle der Planckschen Hohlraumstrahlung beobachtet bzw. misst man ja zunächst nicht einzelne Photonen, sondern thermische Strahlung, also ein klassisches elektromagnetisches Feld mit einem kontinuierlichen Spektrum. Die Quantisierung tritt hier nur als „Rechentrick“ auf.

Man muss also, um eine Quantisierung des Photonfeldes an sich nachzuweisen, einzelne Photonen beobachten. Und das ist heute experimentell prinzipiell möglich.

tomi · Gast

Vielen Dank für die ausführliche Antwort.

So ganz überzeugt bin ich aber noch nicht. Meines Wissens werden ja Photonen zerstört, sobald man sie detektiert. D.h. "im Flug" kann man sie nicht "beobachten". Klar sieht man einzelne Punkte auf dem Detektorschirm, aber ist es nicht möglich, dass das Photon sozusagen erst "instanziert wird", sobald die Welle auf den Schirm trifft?

Sry, mein Wortschatz ist nicht der eines Physikers, es geht mir einfach um die Anschauung. Hoffe ich frage nicht allzu metaphysische Dinge Zunge raus

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18018

Nun, es gibt Wechselwirkung mit und ohne Vernichtung des Photons. Im Falle des Photoeffektes oder der Anregung eines in einem Atom gebundenen Elektrons wird das Photon vernichtet. Im Falle des Comptoneffektes wird es an einem freien Elektron gestreut, was zu einer Impulsänderung des Photons führt (man könnte auch von einer Absorption und einer folgenden Re-Emissionen eines zweiten Photons sprechen).

Tatsache ist, dass ohne Wechselwirkung mit dem Photon keine Messung möglich ist. D.h. wir können die Eigenschaften des Photons nur beobachten, indem wir eine Messung mit Wechselwirkung durchführen. D.h. natürlich auch, dass wir die quantisierte Natur der elektromagnetischen Strahlung nur im Zuge von Messungen beobachten.

Die Theorie lautet dann wie folgt: wir nehmen an, dass Photonen gemäß der o.g. Gleichungen Quanten darstellen. Diese haben eine quantisierte Wirkung sowie (in der o.g. Weise) auch eine quantisierte Energie. Diese Quantisierung liegt A) für freie Photonen vor, und sie ist B) im Rahmen von Experimenten nachweisbar.

Die Messungen sagen uns, dass diese Annahmen korrekt sind, insoweit sie den experimentellen Anteil (B) der Theorie betreffen.

Andere Annahmen über grundsätzlich unbeobachtbare Eigenschaften sind unphysikalisch oder unnatürlich, wenn wir nämlich annehmen, dass dem freien Photon (A) unbeobachtbare, jedoch explizit andere Eigenschaften als dem wechselwirkenden Photon (B) zukommen. Warum sollte das so sein?

Wir versuchen die Theorie also mit den einfachstmöglichen Annahmen zu formulieren, und insofern schreiben wir den Photonen nur genau die Eigenschaften zu, die wir (übereinstimmend in allen Experimenten) beobachten, keine anderen. Die einfachste Annahme ist doch aber, dass die unbeobachtbaren Eigenschaften für (A) mit den beobachtbaren in (B) identisch sind. Damit meine ich, dass die o.g. Gleichungen für (A) und (B) gleichermaßen gültig sind.

Nehmen wir stattdessen im Widerspruch dazu an, dass im Zuge der Wechselwirkung (B) andere Eigenschaften gemessen werden als die, die dem freien Photon (A) vorher zukommen. Das würde z.B. bedeuten, dass dem freien Photon eine andere Energie E' zukommt als die Energie E, die es im Zuge der Messung zeigt. Das wäre doch widersinnig, oder?

tomi · Gast

okay, ich sehe was du meinst Augenzwinkern

danke für die antworten, frage ist beantwortet denk ich smile

btw: irgendwie ist es mir trotzdem einfach wohler dabei, zu denken, dass die welle erst durch interaktion dazu gezwungen ist sich als teilchen zu lokalisieren und quantisieren, denn der dualismus ist doch auch widersinnig bzw nicht leicht vorzustellen.. Zunge raus

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18018