Knifflige Frage einer jungen Dame zu Photonen

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Udo Braxas

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Dec 11, 2021, 6:00:21 AM12/11/21
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Hallo,
folgende - ernstgemeinte - Frage zum Welle-Teilchen-Dualismus bei Licht.

Hintergrund ist, dass ich einer Gruppe von Jugendlichen in der Nachbarschaft,
die Probleme in der Schule haben, ein wenig Nachhilfe in Mathe und Physik gebe.
Und von einer 16-jährigen jungen Dame wurde ich etwas in Verlegenheit
gebracht mit folgender Frage:

(1) Licht als Welle
Fasst man Licht (einer bestimmten Wellenlänge) als Welle auf, so kann
man über die Beziehung E = h * nü diesem Licht eine bestimmte Energie
zuschreiben.
(Hierzu Versuch: Auslösung der Chlorknallgasreaktion mittels Laser).

(2) Licht als Teilchen.
Photonen haben laut Physiklehrbüchern keine Masse.
Nimmt man Einsteins Gleichung: E = m * c^2
so hätte ein Photon die Energie Null, da Masse Null.

Dem widerspricht die Realität, wie der Chlorknallgas-Versuch zeigt.

Ich muss einräumen, dass ich hier ein Argumentations-Problem habe,
das den Jugendlichen widerspruchsfrei zu erklären.

Wie könnte ich den Sachverhalt einer 16-jährigen sauber und vor allem
physikalisch korrekt darstellen?

Danke und Grüße
Udo

Leo Baumann

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Dec 11, 2021, 6:09:37 AM12/11/21
to
Am 11.12.2021 um 12:00 schrieb Udo Braxas:
> Wie könnte ich den Sachverhalt einer 16-jährigen sauber und vor allem
> physikalisch korrekt darstellen?

https://de.wikipedia.org/wiki/Photon

Sebastin Wolf

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Dec 11, 2021, 7:03:15 AM12/11/21
to
Am 11.12.2021 um 12:00 schrieb Udo Braxas:

> Welle-Teilchen-Dualismus

Verwendet man ehr nicht mehr.


Ansonsten:


https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/quantenchemie/html/PhImpF.html

Dieter Heidorn

unread,
Dec 11, 2021, 7:09:34 AM12/11/21
to
Udo Braxas schrieb:
> Hallo,
> folgende - ernstgemeinte - Frage zum Welle-Teilchen-Dualismus bei Licht.
>
> (1) Licht als Welle
> Fasst man Licht (einer bestimmten Wellenlänge) als Welle auf, so kann
> man über die Beziehung E = h * nü diesem Licht eine bestimmte Energie
> zuschreiben.
> (Hierzu Versuch: Auslösung der Chlorknallgasreaktion mittels Laser).
>
> (2) Licht als Teilchen.
> Photonen haben laut Physiklehrbüchern keine Masse.
> Nimmt man Einsteins Gleichung: E = m * c^2
> so hätte ein Photon die Energie Null, da Masse Null.
>
> Dem widerspricht die Realität, wie der Chlorknallgas-Versuch zeigt.
>

Bei großen Geschwindigkeiten, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommen,
muss die Relativitätstheorie verwendet werden.

Für die Gesamtenergie E eines Körpers mit _Ruhemasse_ m und Impuls p
gilt der relativistische Zusammenhang zwischen Energie und Impuls:

E = c * sqrt( (m*c)^2 + p^2) )

c: Lichtgeschwindigkeit

Für Photonen gilt:

E = h*f; m = 0, denn Photonen haben keine Ruhemasse (*)

und damit:

h*f = c*p

p = h*f/c = h/lambda.

Auch wenn die Ruhemasse des Photons Null ist, hat es dennoch einen
Impuls. Experimenteller Nachweis: z.B. Compton-Effekt. Aufgrund seines
Impulses kann ein Photon also Stöße mit Teilchen ausüben.

Dieter Heidorn

---

(*): Dies wurde kürzlich hier diskutiert. Dazu verweise ich auf
folgenden Übersichtsartikel:
The mass of the photon
https://www.researchgate.net/publication/228676944_The_mass_of_the_photon

Carla Schneider

unread,
Dec 11, 2021, 7:27:10 AM12/11/21
to
Udo Braxas wrote:
>
> Hallo,
> folgende - ernstgemeinte - Frage zum Welle-Teilchen-Dualismus bei Licht.
>
> Hintergrund ist, dass ich einer Gruppe von Jugendlichen in der Nachbarschaft,
> die Probleme in der Schule haben, ein wenig Nachhilfe in Mathe und Physik gebe.
> Und von einer 16-jährigen jungen Dame wurde ich etwas in Verlegenheit
> gebracht mit folgender Frage:
>
> (1) Licht als Welle
> Fasst man Licht (einer bestimmten Wellenlänge) als Welle auf, so kann
> man über die Beziehung E = h * nü diesem Licht eine bestimmte Energie
> zuschreiben.
> (Hierzu Versuch: Auslösung der Chlorknallgasreaktion mittels Laser).

Das ist aber bereits die Energie des Photons.

>
> (2) Licht als Teilchen.
> Photonen haben laut Physiklehrbüchern keine Masse.
> Nimmt man Einsteins Gleichung: E = m * c^2
> so hätte ein Photon die Energie Null, da Masse Null.

Die Formel gilt nicht fur Photonen, die haben Ruhemasse 0
aber trotzdem Energie.



>
> Dem widerspricht die Realität, wie der Chlorknallgas-Versuch zeigt.
Das Photon hat eine Energie.

>
> Ich muss einräumen, dass ich hier ein Argumentations-Problem habe,
> das den Jugendlichen widerspruchsfrei zu erklären.
>
> Wie könnte ich den Sachverhalt einer 16-jährigen sauber und vor allem
> physikalisch korrekt darstellen?

Quantenmechanik geht gar nicht auf Schul-niveau.

Udo Braxas

unread,
Dec 11, 2021, 8:01:46 AM12/11/21
to
Vielen Dank an alle für die Antworten.

@ Leo Baumann
>
https://de.wikipedia.org/wiki/Photon

Den Wikipedia-Artikel haben wir - selbstverständlich - durchgelesen, bevor
die Frage hier gepostet wurde.

@ Sebastian Wolf
>
https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/quantenchemie/html/PhImpF.html

Der Link ist großartig. Hier wird verständlich und klar vorgeführt und gerechnet, wie die
Dinge zusammenhängen.

@ Dieter Heidorn
Eine klare und überzeugende Argumentationskette, ähnlich wie in dem
von Sebastian Wolf angegebenen Link. Vielen Dank dafür!
Bin gespannt, wie die Jungs und Mädels das aufnehmen.

@ Carla Schneider
> Quantenmechanik geht gar nicht auf Schul-niveau.
Das sehe ich nicht ganz so.
Das Doppelspaltexperiment wurde (dank guter Youtube-Beiträge) von meinen
Schützlingen im Rahmen ihrer Möglichkeiten durchaus verstanden.
Und die Konsequenzen daraus erfassen die auch.

Grüße
Udo

Carla Schneider

unread,
Dec 11, 2021, 8:16:57 AM12/11/21
to
Auf Experimentalniveau kann man vieles machen, das Doppelspaltexperiment
z.B. zeigt die Beugung von Wellen, man kann es mit Wasserwellen,
oder Lichtwellen vorfuehren...
Man kann sicher auch erklaeren dass das gleiche Experiment auch mit
Teilchen funktioniert, aber Quantenmechanik ist was anderes...

Helmut Wabnig

unread,
Dec 11, 2021, 9:26:10 AM12/11/21
to
E=mc2 trifft hier nicht zu, siehe Posting weiter unten oder oben :-)

w.

Dieter Heidorn

unread,
Dec 11, 2021, 9:35:42 AM12/11/21
to
Udo Braxas schrieb:
> Vielen Dank an alle für die Antworten.
>

Noch eine kleine Ergänzung: Die sog. "relativistische Masse" ist
problematisch und wird heute nicht mehr verwendet - siehe dazu

https://de.wikipedia.org/wiki/Masse_%28Physik%29#Veraltet:_%E2%80%9Erelativistische_Masse%E2%80%9C_und_%E2%80%9ERuhemasse%E2%80%9C

Dieter Heidorn

Hermann Riemann

unread,
Dec 11, 2021, 10:42:04 AM12/11/21
to
Am 11.12.21 um 12:00 schrieb Udo Braxas:
> (2) Licht als Teilchen.
> Photonen haben laut Physiklehrbüchern keine Masse.
> Nimmt man Einsteins Gleichung: E = m * c^2
> so hätte ein Photon die Energie Null, da Masse Null.

E=mc² setzt ein ruhendes System voraus.
Ansonsten ist ein Term mit 1/( Wurzel aus (1 -v²/c²) ) dabei
was bei v=c zu einer Division durch 0 führt.
∞ * 0 ( 0 Ruhemasse ) liefert keine bestimmten Werte.

Hermann
eher rätselnd, wie groß ein Photon ist.

--
http://www.hermann-riemann.de

Toni-Ketzer

unread,
Dec 11, 2021, 11:46:59 AM12/11/21
to
Am 11.12.21 um 12:00 schrieb Udo Braxas:
Eigentlich keine 'knifflige Frage', sondern eine Frage des Verständnis
phyikalischer Grundprinzipien. Also folgende Frage an welche die etwas
Ahnung (ganz ohne Wikipedia) von Physik haben: Welches Ereignis ist
Vorausetzung zur Emitierung einer Lichtwelle?
Wie entsteht eine Lichtwelle, oder eine andere als Lichtwelle?
Warum gibt es ein Farbspektrum?
Man behauptet das Mondlicht nur aus "Grautöne" besteht. Das ist falsch
und wurde widerlegt.

Wer das beantworten kann, der weiß auch das Lichtwellen kinetische
Energie (Fallgeschwindigkeit) beeinflußen wird, das obwohl Lichtwellen
keine Masse haben, und deshalb eine konstante Fallgeschwingkeit haben
werden.

Das steht in Wikipedia nicht drin. Was tun?

Kurt

unread,
Dec 15, 2021, 1:47:16 PM12/15/21
to
Am 11.12.2021 um 12:00 schrieb Udo Braxas:
> Hallo,

> Ich muss einräumen, dass ich hier ein Argumentations-Problem habe,
> das den Jugendlichen widerspruchsfrei zu erklären.
>
> Wie könnte ich den Sachverhalt einer 16-jährigen sauber und vor allem
> physikalisch korrekt darstellen?
>

Sag ihr einfach die Wahrheit, die das es keine Photonen gibt.

Kurt



Sebastin Wolf

unread,
Dec 15, 2021, 4:18:00 PM12/15/21
to
Bei dir in der Psychiatrie sind die natürlich nicht notwedig.

Rolf Bombach

unread,
Dec 26, 2021, 7:04:48 PM12/26/21
to
Helmut Wabnig schrieb:

[Photonen und deren Energie]

> E=mc2 trifft hier nicht zu, siehe Posting weiter unten oder oben :-)

Physik ist kein Wunschkonzert. Auch sind solche Gesetzmässigkeiten
keine unverbindlichen Empfehlungen, welche, wenn überhaupt, dann
mal mehr und mal weniger zutreffen. Mag sein, dass die Deutsche
Bahn das anders sieht, aber auch hier dürfte sie nicht massgebend sein.

Das Photon hat keine Ruhemasse, experimentelle Obergrenzen verschieben
sich laufend nach unten, daher hat das Energie-ÄQUIVALENT dieser nicht
vorhandenen Masse naheliegenderweise den Wert Null.

Das heisst nicht, dass nicht Masse in Photonen und umgekehrt umgewandelt
werden kann. Sonst würde z.B. PET nicht funktionieren.

https://de.wikipedia.org/wiki/Positronen-Emissions-Tomographie

Umgekehrt, wenn ein 5 MeV-Gammaquant in deinem Natriumjodid-Kristall
stecken bleibt, dann kann sich diese Energie schon mal (zumindest
vorübergehend) "materialisieren". Das "adds to the complexity of
the spectrum".

--
mfg Rolf Bombach

Thomas Heger

unread,
Jan 20, 2022, 2:13:20 AM (2 days ago) Jan 20
to
Am 11.12.2021 um 12:00 schrieb Udo Braxas:
> Hallo,
> folgende - ernstgemeinte - Frage zum Welle-Teilchen-Dualismus bei Licht.
>
> Hintergrund ist, dass ich einer Gruppe von Jugendlichen in der Nachbarschaft,
> die Probleme in der Schule haben, ein wenig Nachhilfe in Mathe und Physik gebe.
> Und von einer 16-jährigen jungen Dame wurde ich etwas in Verlegenheit
> gebracht mit folgender Frage:
>
> (1) Licht als Welle
> Fasst man Licht (einer bestimmten Wellenlänge) als Welle auf, so kann
> man über die Beziehung E = h * nü diesem Licht eine bestimmte Energie
> zuschreiben.
> (Hierzu Versuch: Auslösung der Chlorknallgasreaktion mittels Laser).

Jeweils ein Photon soll so einen Enegieinhalt haben.

aber einzelne Photonen ' solo' gibt es eigentlich garnicht.

Man stelle sich Teilchen eher wie sowas wie ausgezeichnete Punkte eines
Feldes vor und nicht wie kleine Kugeln.

>
> (2) Licht als Teilchen.
> Photonen haben laut Physiklehrbüchern keine Masse.
> Nimmt man Einsteins Gleichung: E = m * c^2
> so hätte ein Photon die Energie Null, da Masse Null.

Die Gleichung stimmt auch nicht so, wie du sie interpretierst.

Abgegebene Energie und Masse einer radioaktiven Probe verhalten sich
nicht proportional sonder gegenläufig:

Wenn die Probe Energie in Form von Strahlung abgibt, dann wird die Masse
kleiner.

Eigentlich müßte die Gleichung daher heißen
delta(E) = - delta(m)* c²

da Masse und Energie nicht proportional sind, sondern sozusagen
'anti-proportional'.

Außerdem beziehen sich E und m auf einen bestimmten Ausgangswert vor dem
Zerfall bzw. der Ausstrahlung eines Quants.

Die Änderung dieses Ausgangswertes ist gemeint mit E und m.
...


TH
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