Photon

Elektromagnetische Strahlung zeigt sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften (Welle-Teilchen-Dualismus). Während sich Licht bei der Ausbreitung wellenartig verhält, erfolgt seine Emission und Absorption diskret in Energiequanten. Diese Energiequanten werden als Photonen bezeichnet. Jede elektromagnetische Strahlung ist somit quantisiert, d.h. ihre Energie wird in diskreten Einheiten übertragen. Die kleinste mögliche Energieeinheit elektromagnetischer Strahlung ist ein Photon.

Photonen entstehen beispielsweise durch:

• Elektronenübergänge zwischen Energieniveaus in Atomen oder Molekülen
• Übergänge angeregter Atomkerne (Gammastrahlung)
• Bremsstrahlung beim Abbremsen geladener Teilchen
• Teilchen-Antiteilchen-Annihilation
• thermische Strahlung (z.B. Schwarzkörperstrahlung)

Photonen besitzen folgende grundlegende Eigenschaften:

• Ruhemasse: 0
• Ausbreitung: im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit c
• elektrische Ladung: 0
• Spin: 1 (Boson)

Photonen besitzen daher keinen Ruhezustand und existieren nur in Bewegung. Die Energie eines Photons ist proportional zur Frequenz der elektromagnetischen Strahlung:

mit:

• ${\displaystyle E}$ = Energie des Photons
• ${\displaystyle h}$ = Planck-Konstante
• ${\displaystyle \nu }$ = Frequenz der Strahlung

Mit zunehmender Frequenz steigt somit die Energie eines Photons. Photonen können durch physikalische Prozesse erzeugt oder absorbiert werden. Ein isoliertes Photon ist nach heutigem physikalischem Verständnis stabil.

Bei der Wechselwirkung von Photonen mit Materie können je nach Photonenergie unterschiedliche Prozesse auftreten:

• Anregung von Elektronen: Photonen geringer Energie können Elektronen in Atomen oder Molekülen in ein höheres Energieniveau anregen, ohne dass eine Ionisation erfolgt.
• Photoeffekt (Photoionisation): Ein Photon überträgt seine gesamte Energie auf ein Elektron und löst dieses aus der Atomhülle. Dieser Effekt spielt insbesondere bei Röntgenstrahlung niedriger Energie und Materialien mit hoher Ordnungszahl eine Rolle.
• Compton-Streuung: Ein Photon streut an einem Elektron und überträgt einen Teil seiner Energie auf dieses. Dabei entsteht ein Compton-Elektron sowie ein Photon geringerer Energie.
• Paarbildung: Bei Photonenergien oberhalb von 1,022 MeV kann im elektrischen Feld eines Atomkerns ein Elektron-Positron-Paar entstehen.
• Photonukleare Reaktionen: Sehr energiereiche Photonen können mit Atomkernen wechselwirken und Kernreaktionen auslösen (z.B. Photodesintegration).