Was ist ein Photon?

Die Bestandteile Elektromagnetischer Wellen werden als Photonen bezeichnet. Was allerdings ein Photon konkret und anschaulich ist, das bleibt oftmals unklar - so daß nachfolgend zumindest der Versuch unternommen werden soll, diesen Begriff näher zu erläutern. Das Thema befindet sich in der Diskussion und so sollen die nachfolgenden Aussagen nicht als etabliertes Wissen, sondern eher als Theorieskizze aufgefasst werden.

 Der Begriff Photon wird häufig gebraucht und dient wie andere Begriffe auch der Verständigung unter Menschen. Ein Begriff kann als Substantiv eine Vielzahl von Gegenständlichem und Nichtgegenständlichem bezeichnen, z.B. ein Ding etc. aber auch eine abstrakte Sache - z.B. Gedanke, Geist, Organisation - entsprechend gibt es den Begriff Photon über dessen Gegenständlichkeit oder Nichtgegenständlichkeit zu diskutieren wäre. Es geht in der Physik also nicht nur um Sachen, die man unmittelbar sehen und anfassen kann. Ich sehe das Photon als einen Vorgang, der einsetzt, wenn eine Auslenkung passiert, z.B. daß Elektronen auf ein anderes Energieniveau bewegt werden, d.h. ein Photon ist ein Impuls im Medium, wobei es auch ein Hinundherpendeln von Kraftwirkung und Entlastung sein kann.

Es gibt doch oftmals festgelegte Geschwindigkeiten aufgrund der vorhandenen Bedingungen, z.B. hat ein Wasserskiläufer eine Mindest- und Höchstgeschwindigkeit, entsprechend Flugzeuge. In einem Medium, z.B. Vakuum, könnte man es so sehen, daß bei einer Auslenkung ein Impuls durch das Medium läuft bis das Medium einen Freiraum findet, so dass es dorthin strömen kann, dann geht eine Entlastung den Weg zurück, so dass die auslenkende Apparatur sich weiter bewegen kann. Die Geschwindigkeiten der Impulsweiterleitung sind einfach als Bedingung festgelegt - wenn du einen Bleistift verschiebst, wird die Spitze nicht gleichzeitig zur schiebenden Ursache bewegt, sondern der Schiebeimpuls hat eine bestimmte Geschwindigkeit (vermutlich Schallgeschwindigkeit des Materials).

Es findet in einem Medium eine Auslenkung mit genügend großer Beschleunigung statt, die bei einer Schwingung ab einer Frequenz von 10 kHz erreicht wird.

Wie zuvor gesagt, wird es durch die Auslenkung oder auch Bewegung von Objekten oder auch Teilchen erzeugt - beim Schall wäre es eine Membran - bei elektromagnetischen Wellen zwischen 10^14 bis 10^15 Hz, die als Licht bezeichnet werden - handelt es sich um Elektronen, die sich in einer thermischen Schwingung mit der zuvor genannten Frequenz befinden und dabei eine entsprechend hohe Beschleunigung erfahren - so dass pro Beschleunigungsvorgang des ausgelenkten Elektrons mehrere Wellenzüge (Impulsfolgen), die als Photonen bezeichnet werden, emittiert werden.

Immer dort, wo eine Auslenkung geschieht, muß das raumfüllende Medium vor der auslenkenden Apparatur verdrängt werden, die pendelnden Impulse mit (vorwärts) Kraftübertragung und (zurück) Entlastung werden beim Licht als Photonen (oder auch Wellenzüge) bezeichnet. Das sind alles tagtägliche Erfahrungen in Menschenmengen, die durch einen Eingang wollen.

Ein solcher Kraftimpuls überwindet eine Strecke im Medium mit einer Geschwindigkeit, die dem Medium entspricht.

Wenn ein Objekt im Wasser schwimmt und eine sehr schnelle Welle trifft auf das Objekt, dann wird dieses bewegt.

Das Elektron wird meistens als Elementarteilchen angesehen - hat also Masse - insofern gibt es Massenträgheit.

Dass ein Photon kein Proton trifft, ist nicht gesagt - nur ein Elektron hat wesentlich weniger Masse - insofern wird es leichter bewegt und kann sich aus aus dem Materieverband lösen, so daß es als Spannungsstoß meßbar wird.

Kraft als Ursache von Beschleunigung und damit Bewegung, wenn Freigängigkeit vorhanden.

Es stehen ja sehr viele Elektronen in der Oberfläche einer Kathode zur Verfügung, die unterschiedliche Bewegungszustände im Materieverband haben, insofern wird jedes ankommende Photon schon ein Elektron finden welches es aus der oberfläche herausschlagen kann.

Erstmal kennt jeder einen Sonnenbrand - man weiß also, dass sich dort etwas Existierendes von der Lichtquelle zum Body bewegt hat. Meistens wird die Existenz von Photonen mit Hilfe von Photozellen gezeigt. Wobei die Energie umso größer ist, je größer die Frequenz ist - d.h. eine größere Beschleunigung bei der auslenkenden Apparatur führt zu einer höheren Energie der Photonen. Mit Hilfe von Photostrom und Gegenfeldmethoder kann unter Rechnung mit Hilfe des Planckschen Wirkungsquantums auf den diskreten Quantencharakter von Photonen geschlossen werden.

Es findet in einem Medium eine Auslenkung mit genügend großer Beschleunigung statt, die bei einer Schwingung ab einer Frequenz von 10 kHz erreicht wird.

Licht ist real, Lichtstrahlen ebenfalls - sehr kleine Bestandteile solcher Lichtstrahlen werden Photonen genannt und sind damit auch real - allerdings kann der Begriffsinhalt "Photon", so wie er hier oder in der Fachliteratur beschrieben wird, unklar oder unzutreffend sein, d.h. man beschreibt unter Verwendung des Begriffes "Photon" etwas Reales, doch die Beschreibung kann Mängel haben.

Wie gesagt, kommt es in der Modellvorstellung, die mich überzeugt, auf die Beschleunigung an - die ausreichende Beschleunigung wird bei der Frequenz 10^14-10^15 Hz der lichterzeugenden Apparatur (hin und her schwingendes Elektron) bereits bei einer sehr kleinen Amplitude erzeugt - so dass diese nicht extra erwähnt wird.

Strahlt ruhende Materie eigenes Licht aus, dann hat sie eine entsprechend hohe Temperatur - deren Ursache thermische Schwingungen in der Materie sind - dabei scheint es unterschiedliche Frequenzen zu geben, die dann das Farbspektrum ergeben. In meiner Vorstellungswelt benutze ich den Begriff "Resonanzkörper" nicht - das überlasse ich dir. Als Beschleunigung in einem Rechenbeispiel habe ich mal a=6,3165468*10^18 m/s² errechnet - siehe:

In der eigenen Modell-Vorstellung geht es um Anschaulichkeit und Nähe zur konkreten Erfahrungswelt. Ein Auslenkungsvorgang kann immer nur schrittweise erfolgen - denn wenn ein Gegenstand den Raum von anderen Gegenständen einnehmen soll, dann müssen diese Gegenstände erst geräumt sein - und ein solcher Räumungsvorgang kann nur schrittweise erfolgen - jeder einzelne Schritt wird meinerseits als "Photon" beschrieben. Aber solche Beschleunigung einer Vielzahl von Gegenständen hintereinander kannst du dir auch selber vorstellen. Vor dem momentan beschleunigenden Elektron als Ursache kommt es zu einer hin und her schwingenden Bewegung der Teile des Mediums.

Begriffe beziehen sich nicht nur auf Einzeldinge, sondern können auch Vorgänge umfassen, z.B. Tagesablauf, Urlaubsreise etc., d.h. solch ein Photon wäre Teil (einzelner Schritt) eines Beschleunigungsvorganges von Teilchen des Mediums.

Ohne eingeführte Begriffe ist keine Kommunikation möglich. Das wird dann eine ziemlich absurde Welt, wenn auf etablierte Begriffe verzichtet wird - der nächste verzichtet dann auf "Elektron" etc.

Das sind völlig andere Denkwelten, in denen wir uns befinden, d.h. wenn sich ein Begriff etabliert hat, dann habe ich absolut nicht das Bestreben ihn wegzumachen - du kannst ja ein anderes Modell der Lichterzeugung und Lichtübertragung beschreiben und Menschen überzeugen - allerdings sollte dann nicht der Begriff "Photon" angetastet werden.

Die Menschenwelt ist nicht nur die Welt der Objekte, die man sehen und anfassen kann, sondern umfaßt auch den geistigen Überbau um den Umgang mit der Natur möglich zu machen - d.h. du wendest geistige Instrumente an, um das reale Phänomen des Lichtes zu beschreiben und zu handhaben.

Atomuhr

Allgemeines
Eine Atomuhr ist ein Gerät zur sehr genauen Messung der Zeit, deren Zeittakt der Eigenfrequenz von Caesium-Atomen abgeglichen wird. Nachfolgend die Beschreibung der Wirkungsweise einer solchen Uhr: Es wird ein Quarzoszillator VCXO (Voltage-Controlled Xtal Oscillator) als Zeitgeber benutzt, der eine  Wechselspannung mit der geregelten Frequenz fn zur Verfügung stellt. Mit dieser Frequenz fn  wird einerseits die eigentliche Uhr gesteuert und andererseits das Vergleichssignal zur konstanten Frequenz des Cs-Atomstrahls im Resonator zur Verfügung gestellt. Die Frequenz kann als Stellgröße wie bei einem Regelkreis automatisch nachgestellt werden, bis Resonanz zur konstanten Schwingung des Cäsium-Atoms erreicht ist. Wobei die Cäsium-Atome eine bekannte konstante Resonanzfrequenz von 9192 MHz besitzen. Die Wechselspannung des Quarzoszillators mit Frequenz fn wird im Frequenz-Generator in ein elektromagnetisches Wechselfeld mit fp = 9192 MHz umgewandelt. Diese "Mikrowelle" und ein Atomstrahl aus Caesium 133 werden gemeinsam in die Resonanz-Apparatur eingekoppelt, so dass die Cs-Atome bestrahlt werden und die Schwingungen der Mikrowelle und des Atoms miteinander "wechselwirken". Bei fo = fp = 9192 MHz registriert man eine resonanzartige Reaktion der Atome, die in ein Nachweissignal Id mit einer spektralen Linienbreite W umgesetzt wird. Das Signal Id enthält somit die Information, ob die Frequenz fp mit der Übergangsfrequenz der Atome fo übereinstimmt, das Signal wird so weiter verarbeitet, dass daraus ein Regelsignal Ur zur Regelung des Quartzoszillators VCXO zur Verfügung gestellt wird, dessen natürlichen Frequenzschwankungen werden so entsprechend der eingestellten Regelzeitkonstanten unterdrückt, und die Stabilität der atomaren Resonanz bestimmt die Qualität des Ausgangssignals. Vom VCXO wird meistens eine Normalfrequenz fn = 5 MHz zur Verfügung gestellt. Man rechnet meistens mit einem Umrechnungsfaktor k, so dass
fp = k * fn = k * 5 MHz = 9192,631770 MHz.

Übergänge zwischen den Energieniveaus
Die Atome des Cs-Strahls schwingen konstant 9192 MHz und man kann sich diesen Vorgang eventuell so vorstellen, dass eine Mikrowellenstrahlung von diesem Atom ausgesandt wird, wenn ein Elektron von einer höheren Bahn auf eine niedrigere fällt. Die Wellenlänge des ausgesandten Lichtes hängt dabei vom Energieabstand zwischen den Bahnen ab. Eine hohe Frequenz deutet auf einen sehr kleinen Energieunterschied hin,
Warum sind Elektronen überhaupt auf bestimmten Bahnen? Eine grundlegende und wichtige Tatsache der Quantenphysik ist es, dass die Elektronen der Atomhülle ihre spezifischen Eigenschaften haben, welche durch ihre Quantenzahlen beschrieben werden. Die Quantenzahlen bestimmen auch die Energie, die das Elektron hat, denn sie stammen von seinen Bewegungseigenschaften bzw. seinen elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Deswegen haben die Elektronen verschiedene Bahnen im Atom. Die Hauptquantenzahl bestimmt die Bahn, aber daneben gibt es weitere Zahlen wie den Spin, der eine dem Elektron eigene magnetische Größe darstellt und die Zustände ”spin up” oder ”spin down” zeigen kann. Erst, wenn man die Elektronen anregt, wechseln sie von einem Zustand zum anderen, z.B. kann man etwas Energie zuschießen, per Mikrowelle oder Photon, um ein Elektron mit "spin down" zu veranlassen, den Sprung auf das Energieniveau "spin up" zu schaffen. Das Photon wird absorbiert, aber nach einiger Zeit fällt es wieder zurück  und strahlt dabei wieder ein Photon, z.B. mit 9192,631770 MHz, beim Caesium aus. Auch das aufgenommene Photon muss genau die passende Energie haben. Nachfolgend soll der Elektronenübergang im Caesium-133 verwendet werden, von dem die Frequenz des ausgesandten oder absorbierten Photon bekannt ist. Dadurch soll eine Quartzuhr immer wieder genau nachgestellt werden.

Funktionsprinzip
Die Caesiumuhr funktioniert nach folgendem Prinzip. In einem kleinen "Ofen", welcher einige Gramm des Metalls enthält, wird Caesium-133 verdampft und zu einem Cs-Atomstrahl mit Hilfe der Düse des Ofens gebündelt. Es handelt sich hierbei um kein radioaktives Material, d.h. die Caesium-133-Atome sind stabil und zerfallen nicht.
Kennzeichnend für den Atombau des Caesiums ist, dass sich nur ein Elektron auf der äußeren Schale befindet. Die inneren Schalen sind gefüllt mit stabilen Elektronen, so dass nur das Elektron auf der äußeren Bahn Relevanz für die Zwecke einer Atomuhr hat. Das äußere Elektron  kann zwei Spinzustände einnehmen. Solange die Temperatur des Cäsiums nicht extrem niedrig ist, sind beide Zustände etwa gleich besetzt. Um den Übergang messen zu können, muss einer der Zustände selektiert werden. Wie erwähnt, hat das Elektron durch den Spin ein magnetisches Moment und kann also unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes abgelenkt werden, je nach Spin in unterschiedliche Richtungen. Der Strahl hinter dem Ofen passiert einen ersten Magneten, genannt Polarisator, der nur Atome im Energiezustand E₂ in die gewünschte Richtung ablenkt. Danach ist ein Strahl von Atomen vorhanden, bei denen alle äußeren Elektronen der Atome den Zustand ”spin down” besitzen und sich somit im energetisch tieferen Zustand befinden. Somit tritt ein zustandsselektierter Atomstrahl in den Mikrowellenresonator ein. Allgemein gilt, dass bei Übergang der Atome von dem einen in den anderen Zustand Energie in Form elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz im Mikrowellenbereich von 9192631770 Hz absorbiert oder emittiert wird. Die Atome werden durch Mikrowellenstrahlung angeregt, den energetischen Zustand zu wechseln. Je näher die Mikrowellenfrequenz bei der Eigenfrequenz der Cäsium-Atome liegt, desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass Atome in den anderen Zustand übergehen. Im Resonator können die Übergänge zwischen den beiden Zuständen stattfinden. Durch Absorption von Photonen mit der genau passenden Frequenz kann man das Elektron umklappen lassen in den Zustand "spin up". Daher lässt man den Strahl durch einen Mikrowellen-Resonator fliegen, in dem die Atome mit Mikrowellen zusammentreffen, die exakt die passende Frequenz haben, um absorbiert zu werden. In den beiden Endpartien des Resonators werden die Atome mit dem Mikrowellenfeld bestrahlt, und im Resonanzfall gehen die Atome in den Zustand E₁ über.
Nach der Wechselwirkung mit dem Mikrowellenfeld  werden die Cäsium-Atome sortiert und jene Atome, die Energie aufgenommen haben, gezählt, d.h. es wird schließlich die Besetzung des anfangs ausselektierten Zustands gemessen. Wenn die Frequenz des Mikrowellenresonators mit der Eigenfrequenz des Atoms übereinstimmt, erhält man ein Signal-Maximum. Der Analysatormagnet lenkt nun gerade diese Atome auf einen geheizten Draht. Dort werden Cs-Atome zu Cs⁺-Ionen, die durch ein magnetisches Massenfilter auf die erste Dynode eines Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) gelenkt werden.
Das im Diagram skizzierte Detektorsignal I_D als Funktion von f_p wird als "atomares Resonanzsignal" bezeichnet. Die Breite dieses Signals liegt im Bereich von 50-500 Hz und wird durch die Flugzeit T der Atome entlang der Resonatorlänge L bestimmt. Wenn die Flugstrecke lang genug ist, kann erwartet werden, dass der Strahl hinter dem Resonator ausschließlich Atome mit "spin up" beim äußeren Elektron aufweist. Ist aber die Frequenz etwas abweichend, werden nicht genug Elektronen "umgeklappt".
Das ist die Idee wie festgestellt werden kann, ob die Uhr aus dem Takt gerät! Somit wird die Frequenz des Mikrowellen-Resonators an die Uhr gekoppelt. Hinter dem Resonator werden mit Magneten erneut die Atome nach Spin sortiert. Wenn es ein Atom gibt, bei der der Spin noch nach unten zeigt, treffen diese im unteren Detektor auf. Aus dem Verhältnis kann bestimmt werden, wie die Uhr nachgestellt werden muss, um wieder genau die richtige Frequenz zu haben - so dass die Uhr genau läuft!