Gibt es für Photonen eine Mindestfrequenz? Nimmt eine elektromagnetische Welle ab einer genau definierten Frequenz urplötzlich Teilchencharakter an?
Hallo!
Man spricht vom Welle-Teilchen-Dualismus und meint damit, daß elektromagnetische Strahlung sich gleichzeitig wie eine Welle oder wie ein Teilchen verhalten kann. Es ist nicht so, daß die Strahlung ab einer bestimmten Frequenz plötzlich nur noch wie Teilchen reagiert, und darunter nur wie eine Welle.
Sichtbares Licht verhält sich bei der Beugung am Spalt / Doppelspalt / Gitter wie eine Welle, und zeigt dahinter ein Interferenzspektrum.
Beim Photo-Effekt benimmt sich das sichtbare Licht dagegen wie Teilchen.
Die deutlich hochfrequentere Röntgenstrahlung zeigt aber auch noch die für Wellen typische Beugungsmuster beim Durchgang durch kristalline Stoffe. Und auch Gamma-Strahlung kann noch gebeugt werden, benimmt sich aber beim Compton-Effekt eher wie ein Teilchen.
Wenn ich es recht bedenke, verhält sich EM-Strahlung bei sehr niedrigen Frequenzen eher wie ne Welle, mir sind da keine Phänomene mit Teilchencharakter bekannt. Das mag aber auch daran liegen, daß es immer irgendwelche geeigneten Dinge geben muß, mit denen die Strahlung entsprechend reagieren können muß, und da gibt es anscheinend nichts für niedrige Frequenzen.
Umgekehrt verhält sich EM-Strahlung bei extrem hohen Frequenzen / Energien immer mehr wie ein Teilchen, und der Wellen-Charaker lässt nach.
Aber meine Beispiele, die über etwa 6 Größenordnungen gehen zeigen schon, daß es da keine festen Grenzen gibt.
Zunächst zu deiner Formulierung im Betreff: Photonen sind Teilchen, ja. Aber Teilchen (jeder Art) sind weder „hochfrequent“ noch „elektromagnetisch“. Photonen speziell sind masselos und elektrisch neutral (masselose Teilchen sind btw. immer elektrisch neutral). Sie vermitteln jedoch (und das meinst du vielleicht) die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen. Und zwar sind sie in dieser Rolle als als Austauschteilchen (= Bosonen) grundsätzlich virtuell. Ihnen kann dabei auch ein Masseäquivalent zugeordnet werden.
Photonen haben keine Frequenz, aber elektromagnetische Wellen haben Frequenz. Und tatsächlich haben em-Wellen in Prozessen, in denen sie eine Rolle spielen, immer mehr Teilchencharakter (als Teilchenströme), je höher ihre Energie ist und damit auch ihre Frequenz. Je geringer ihre Frequenz und damit ihre Energie ist, desto mehr zeigen sie Wellencharakter. Eine scharfe Grenze gibt es da nicht, es hängt von der Struktur des jeweiligen Prozesses ab. So kann man Gamma-Strahlung generell als Teilchenstrom (eben von γ-Teilchen = Photonen) auffassen, Radiowellen dagegen zeigen kaum noch Teilcheneigenschaften.
In der relativistischen Quantenfeldtheorie rechnet man jedoch mit sog. „Wellenpaketen“. Da ist man von dem Welle-Teilchen-Dualismus nicht mehr belastet.
Gruß
Metapher
Schlechtes Beispiel für Deine Erläuterung, hervorragendes Beispiel für den Fragesteller. Das geht nämlich mit Teilchen auch:
Faszinierend, hm?
Hallo!
Nee, das Beispiel passt. Das Interferenzmuster lässt sich nur dann erklären, wenn man das Licht als Welle betrachtet, mit Teilchen funktioniert das nicht.
Faszinierend ist, daß auch Materie, der man eigentlich immer Teilchencharakter zuschreibt, sich wie eine Welle verhalten kann.
Ja, faszinierend. Es funktioniert sogar mit einzelnen Photonen, die im Zeitabstand geschossen werden, also wenn das vorige Photon bereits absorbiert ist. Und - Überraschung -dasselbe mit einzeln abgeschossenen Elektronen, die also klassisch erst recht nichts von einander wissen können.
Hast Du den Link nicht gelesen? Es funktioniert sogar mit MOLEKÜLEN! Sind das keine Teilchen?
Hallo!
Ich kann dir versichern, ich brauche den Link nicht lesen.
Aber dir empfehle ich, meinen Kommentar vollständig zu lesen.
Versuche mal, das Interferenzmuster nur mit dem Teilchencharakter zu erklären. Das funktioniert nicht, es geht nur mit dem Wellencharakter.
Und wie ich oben schrieb, auch Elektronen, Atome, Moleküle, meinetwegen auch Autos können ein Interferenzmuster erzeugen, das sich aber nur erklären lässt, wenn die sich auch als Wellen auffassen lassen.
Dank DeBroglie kann man Teilchenmassen in Wellenlängen umrechnen, und dann klappt auch mit der Interferenz.
ja, Metapher
das ist die derzeit herrschende Lehrmeinung.
Photonen sind die Erfindung Einsteins. Noch 1951 hat dieser in einem Brief an seinen
Freund Michele Besso zugegeben selbst nicht zu wissen, was Photonen sind.
Das begann mit dem Einsteinansatz 
m/2 v² = h f minus WA
Nun kann mit einer einfachen Antenne nachgewiesen werden, dass h f / Anzahl e = U die potentielle Energie in einem Antennenatom ist.
Die Energie h f steckt also im Atom.
Photonen gibt es nur im Märchen.
Die Fachwissenschaft Physik vertritt den Einsteinansatz m/2 v² = h f minus WA
Im Klartext bedeutet das : Kinetische Energie = Potentielle Energie minus Austrittsenergie.
Sowohl bei der Quantenmechanik, als auch bei den Relativitätstheorien haben Vertreter der Fachwissenschaft Physik demnach Scheuklappen vor den Augen, um das mal vornehm auszudrücken.
Mit freundlichem Gruß
Jürgen Gerwing , Autor der Gedankensammlung magneticquant.de