Warum sagen wir, dass Photonen Teilchen sind? [geschlossen]

Diese Frage mag dumm erscheinen, aber ich muss wirklich verstehen. Vielleicht ist es nur semantisch und sonst nichts.

Warum sagen wir, dass Photonen (Elementar-)Teilchen sind?

Sie sind reine Strahlung, da sie masselos sind, nicht wahr? Sie können also nicht als punktförmige Teilchen behandelt werden, und ich halte es für Unsinn, sie gemäß der Definition eines Teilchens als Teilchen zu betrachten.

Einmal habe ich auch von der hypothetischen Masse eines Photons gelesen, die (falls vorhanden) kleiner sein sollte als 10 − 54 kg mehr oder weniger. Es kann jedoch nutzlos sein, dies zu wissen.

" Angenommen, ein Teilchen ist "etwas" [...] mit Masse... " nein: das ist nicht die Definition von Teilchen. Siehe Warum sind Atome Teilchen? für (eine mögliche) Definition von Teilchen oder Strenger mathematischer Formalismus der Teilchenphysik für eine formellere Definition.
Nun, vielleicht ist meine Frage ohne diesen Teil zu sehen!
"Also können sie nicht als punktförmige Teilchen behandelt werden" ... warum sagst du das? Der Compton-Effekt zum Beispiel muss das Photon als Teilchen behandeln, er kann im Wellenbild bei niedrigen Intensitäten und Frequenzen nicht vollständig erklärt werden. Die Blips auf einem Bildschirm, auf den sehr schwaches Licht fällt, sehen für mich auch ziemlich punktartig aus. Ich bin mir nicht sicher, was Ihre Frage ist. Wir sagen, dass Photonen Teilchen sind, weil sich das als nützlich erwiesen hat .
@ACuriousMind In der Tat! Man muss sie sich als Teilchen vorstellen, weil es bequem und nützlich ist, aber im eigentlichen Sinne der Frage (z. B. Streuung) wird es schwierig, Photonen als Teilchen zu betrachten, nicht wahr? Oder übersehe ich etwas?
Photonen sind keine Teilchen, sondern Quanten. Das meinen Physiker, wenn sie im Zusammenhang mit quantenmechanischen Phänomenen von „Teilchen“ sprechen. Wenn Sie möchten, können Sie sich in der englischen Abteilung über unseren Missbrauch unserer eigenen Fachbegriffe beschweren. :-)

Antworten (4)

Das Standardmodell der Teilchenphysik hat einen quantenmechanischen Lagrangeoperator, bei dem die Elementarteilchen der Tabelle als Punkt „Teilchen“ mit der Masse und den Quantenzahlen in die Tabelle eingehen. Dies ist ein sehr erfolgreiches Physikmodell, das eine enorme Datenmenge von achtfach organisierten Resonanzen an LEP-Daten mit dem Höhepunkt der Higgs-Entdeckung am LHC anpasst.

„Teilchen“ mit Anführungszeichen, weil sie keine klassischen Billardkugeln sind, sondern quantenmechanische Gebilde, die sich in Experimenten mikroskopisch mit Wahrscheinlichkeitsverteilungen manifestieren.

Der Grund, warum man Photonen und Gluonen und Gravitonen und Z- und W-Teilchen nennt, liegt in der Validierung des Standardmodells.

Das Obige ist der aktuelle Stand der Teilchenphysik, des Experiments und der Theorie, die sie beschreibt und neue Verhaltensweisen vorhersagen kann.

Das Photon entstand als Teilchen, damals noch nicht durch den photoelektrischen Effekt von einem klassischen Teilchen getrennt . Es war ein Beweis dafür, dass Licht aus Quanten zusammengesetzt ist und diese Photonen genannt wurden, um schließlich quantenmechanische Einheiten, "Teilchen", genannt zu werden. Mit der Quantenfeldtheorie wird in diesem Blogbeitrag von @Motl die Entstehung der klassischen elektromagnetischen Strahlung aus dem Photonenfeld gezeigt.

Ich denke, 1 über 137 hat einen Punkt, wenn er sagt, dass Photonen nur Strahlung sind, vorausgesetzt, er meint, wenn sie mit Materie interagieren. Nur wenn sie das tun, "existieren" (oder existierten) sie, indem sie einen messbaren/beobachtbaren Effekt hervorrufen. Als solches ist das Photon eine Abstraktion, die in das Puzzle passt, und niemand weiß, ob es real ist oder nicht - nur dass die Effekte real sind.
@Jens Ihre Aussage gilt für alles, was Sie beobachten und entscheiden, dass es existiert. Sogar sich selbst. Existiere ich? Bin ich echt? Man arbeitet mit Frameworks. Er/sie geht von dem klassischen Realitätsrahmen für die Definition von Teilchen aus. Wir haben einen quantenmechanischen Rahmen für die Realität definiert/gefunden, und das Vokabular der Realität überschneidet sich und bringt Verwirrung. Quantenmechanisch, da alles eine Wellenfunktion hat, ist vielleicht alles Strahlung? Letzteres ist die übliche Verwirrung der Wellen-Teilchen-Dualität. Deshalb sagte ich "Partikel".

Es gibt den sogenannten Compton-Effekt , bei dem ein Elektron und ein Photon miteinander interagieren und die Streuung mit einer großen Impulsänderung im Stil einer Billardkugel erfolgt und nicht mit der "weichen" Art von Wechselwirkung, die Sie von einer Flüssigkeit erwarten würden oder kontinuierliches Feld.

Ja, und was mich wirklich zweifeln lässt, ist Folgendes: Photonen als Teilchen zu behandeln, weil es praktisch ist.
Aber Photonen sind keine "reine Strahlung", weil ihre Behandlung als Strahlung nicht mit dem übereinstimmt, was wir von ihrem Verhalten in der realen Welt sehen.
@PhillS Also "müssen" oder "müssen" wir sie als Partikel behandeln ... ok! xD Ziemlich seltsam, aber ich denke, ich kann es nach und nach verstehen
@ 1over137: Es ist nicht "sie so zu behandeln, wenn es bequem ist". Das sagt das Experiment. Es gibt einen konsistenten Rahmen, der Ihnen sagt, wann Sie sie wie Partikel und wann Sie sie wie Wellen behandeln müssen. Es ist wahr, dass Elektronen und Photonen grundlegend verschiedene Dinge sind, aber sie haben Gemeinsamkeiten, und Physiker verwenden das Wort „Teilchen“, um sie beide zu beschreiben. Aber wenn sie „Teilchen“ sagen, meinen sie in Wirklichkeit ein „quantisiertes Feld, das die Regeln der Quantenfeldtheorie erfüllt“, was nur ansatzweise der gesunden Vorstellung davon entspricht, was ein „Teilchen“ ist.

Alle Elementarteilchen werden als Anregungen von Quantenfeldern beschrieben . Was Sie für ein Teilchen halten, ist eigentlich ein viel seltsameres Objekt. Es ist eine Anregung in einem Operatorfeld, das die gesamte Raumzeit umspannt.

Obwohl dies eine seltsame Theorie erscheinen mag, funktioniert sie außerordentlich gut und macht einige zuvor mysteriöse Aspekte des Partikelverhaltens sehr deutlich. Zum Beispiel können Teilchen erzeugt werden, indem dem Quantenfeld Energie hinzugefügt wird, und zerstört werden, indem dem Quantenfeld Energie entzogen wird, was gut erklärt, wie Materie in Energie umgewandelt werden kann und umgekehrt. Es erklärt auch ordentlich die Welle-Teilchen-Dualität. Teilchen sind weder Teilchen noch Wellen - die Energie in einem Quantenfeld kann sich unter verschiedenen Umständen wellen- und teilchenartig verhalten.

Der Punkt bei all dem ist, dass Photonen von der Quantenfeldtheorie genauso beschrieben werden wie alle anderen Teilchen, es gibt also keinen Grund, sie als anders als die anderen Teilchen anzusehen. Photonen sind masselose Eichvektorbosonen, und ihr Verhalten unterscheidet sich etwas von massiven Fermionen wie Elektronen, aber diese Unterschiede werden alle gut durch die Quantenfeldtheorie beschrieben.

Gut zu sehen, dass Sie bemerken, dass es sich um eine Dualität zwischen klassischen ebenen Wellen und Punktteilchen handelt. Tatsächlich sind beide aufgrund des Mangels an kompakter Unterstützung in ihren Domänen keine realistischen Lösungen. Es ist interessant, dass Wavelets (eine relativ neue mathematische Entwicklung) die Wellengleichungen besser lösen. Der gleiche Mathe-Spaß passiert mit der Unschärferelation (eine mathematische Beziehung für kompakt unterstützte quadratintegrierbare Funktionen - Objekte mit Energie;-)

Die beobachteten Auswahlregeln der atomaren Lichtemission lassen ein emittiertes Photon nur dann zu, wenn ein Quant der Drehimpulsänderung im Elektronenkomplement des emittierenden Atoms auftritt. Aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses müssen wir also ein abgehendes Teilchen haben, das diesen Drehimpuls enthält: Dies ist ein Boson, das als Photon bezeichnet wird. Die Bewegungsgleichungen eines Photons sind die des kontinuierlichen Elektromagnetismus, aber die Wechselwirkung mit Materie zeigt, dass Photonen Teilcheneigenschaften haben.

Warum sagen wir, dass Photonen Teilchen sind? [geschlossen]
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