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Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 11-13, G-Niveau

Photonen - Physik

Einleitung

Licht beleuchtet Räume, überträgt Daten und kann Elektronen aus Metallen lösen. In der Quantenphysik wird elektromagnetische Strahlung als Austausch einzelner Energieportionen beschrieben. Diese Portionen heißen Photonen oder Lichtquanten.

Ein Photon ist keine winzige leuchtende Kugel. Es ist ein Quantenobjekt. Je nach Experiment zeigt Licht Welleneigenschaften wie Interferenz und Teilcheneigenschaften wie einen punktförmigen Nachweis im Detektor. In diesem aiMOOC lernst Du, wie Energie, Frequenz und Wellenlänge zusammenhängen und welche Experimente das Photonenmodell stützen.

Licht in Energiepaketen

Grundidee

Elektromagnetische Strahlung umfasst Radiowellen, Mikrowellen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Alle diese Strahlungsarten können durch Photonen beschrieben werden. Sie unterscheiden sich vor allem durch Frequenz, Wellenlänge und Photonenergie.

Ein einzelnes Photon überträgt eine bestimmte Energie. Bei gleicher Frequenz bedeutet eine höhere Lichtintensität meist: In einer bestimmten Zeit treffen mehr Photonen auf eine Fläche. Die Energie jedes einzelnen Photons bleibt dabei gleich.

Wichtige Eigenschaften

Elektrische Ladung: Ein Photon ist elektrisch neutral.
Ruhemasse: Im physikalischen Standardmodell besitzt es keine Ruhemasse.
Lichtgeschwindigkeit: Im Vakuum breitet es sich mit $c = 299 792 458 m / s$ aus.
Energie: Seine Energie wächst mit der Frequenz.
Impuls: Trotz fehlender Ruhemasse besitzt ein Photon Impuls.
Nachweis: Ein Photon wird bei einer Messung als einzelnes Ereignis registriert, etwa als Signal in einem Kamerapixel.

Die Ausbreitung eines Lichtsignals in Glas oder Wasser ist langsamer als im Vakuum. Die Naturkonstante $c$ bezeichnet stets die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Energie, Frequenz und Wellenlänge

Planck-Beziehung

Für die Energie eines Photons gilt:

$E_{P h} = h \cdot f$

Dabei ist $E_{P h}$ die Photonenergie, $f$ die Frequenz und $h$ die Planck-Konstante:

$h = 6,626 070 15 \cdot 1 0^{- 34} J s$

Da für elektromagnetische Wellen im Vakuum $c = λ \cdot f$ gilt, kann man auch schreiben:

$E_{P h} = \frac{h \cdot c}{λ}$

Eine hohe Frequenz und eine kurze Wellenlänge gehören daher zu einer hohen Photonenergie. Ein blaues Photon besitzt mehr Energie als ein rotes Photon.

Der Impuls eines Photons lautet:

$p_{P h} = \frac{h}{λ} = \frac{E_{P h}}{c}$

Beispielrechnung

Grünes Licht habe die Wellenlänge $λ = 500 n m$ . Dann gilt:

$E_{P h} = \frac{h \cdot c}{λ} \approx 3,97 \cdot 1 0^{- 19} J$

Mit $1 e V = 1,602 176 634 \cdot 1 0^{- 19} J$ ergibt sich:

$E_{P h} \approx 2,48 e V$

Das Elektronenvolt ist besonders praktisch, wenn sehr kleine Energien einzelner Teilchen beschrieben werden.

Entstehung und Aufnahme von Photonen

Emission

Atome, Moleküle und Festkörper können nur bestimmte Energiezustände einnehmen. Wechselt ein System von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand, kann es ein Photon aussenden. Für einen einzelnen Übergang gilt:

$E_{P h} = Δ E = E_{h o c h} - E_{n i e d r i g}$

Die Farbe des ausgesandten Lichts hängt von der Energiedifferenz ab. Große Energiedifferenzen führen zu Photonen mit hoher Frequenz.

Bei einem Laser spielt die stimulierte Emission eine zentrale Rolle. Ein passendes Photon regt dabei die Abgabe eines weiteren Photons an. Die erzeugten Photonen stimmen unter anderem in Frequenz und Ausbreitungsrichtung überein.

Absorption

Bei der Absorption überträgt ein Photon seine Energie auf Materie. Das Photon wird dabei nicht einfach langsamer oder schwächer, sondern als Photon vernichtet. Seine Energie kann beispielsweise ein Elektron anregen, eine chemische Reaktion auslösen oder in Wärme übergehen.

Nicht jedes Photon kann jeden Übergang bewirken. Häufig muss seine Energie genau zu einer erlaubten Energiedifferenz passen oder mindestens eine bestimmte Schwelle erreichen.

Experimentelle Hinweise auf Photonen

Photoelektrischer Effekt

Beim äußeren Photoeffekt trifft Licht auf eine Metalloberfläche und kann Elektronen herauslösen. Dafür muss die Frequenz des Lichts eine materialabhängige Grenzfrequenz überschreiten. Die maximale kinetische Energie der Elektronen wird durch die Einstein-Gleichung beschrieben:

$E_{k i n, m a x} = h \cdot f - W_{A}$

$W_{A}$ ist die Austrittsarbeit des Metalls. Eine höhere Frequenz vergrößert die maximale Elektronenenergie. Eine höhere Intensität bei gleicher Frequenz erhöht vor allem die Zahl der ausgelösten Elektronen, sofern die Grenzfrequenz überschritten ist.

Compton-Effekt

Beim Compton-Effekt wird ein energiereiches Photon, etwa ein Röntgenphoton, an einem Elektron gestreut. Das Photon überträgt Energie und Impuls auf das Elektron. Danach besitzt es eine größere Wellenlänge und damit eine kleinere Energie.

Die Änderung der Wellenlänge hängt vom Streuwinkel $ϑ$ ab:

$Δ λ = \frac{h}{m_{e} c} (1 - \cos ϑ)$

Der Compton-Effekt zeigt besonders deutlich, dass Photonen Impuls übertragen.

Doppelspalt und Welle-Teilchen-Dualismus

Beim Doppelspaltexperiment werden Photonen einzeln auf einen Schirm geschickt. Jedes Photon erzeugt dort einen einzelnen, räumlich begrenzten Treffer. Nach vielen Treffern entsteht jedoch ein Interferenzmuster.

Die Quantenphysik ordnet einem nicht gemessenen Photon nicht einfach eine klassische Bahn zu. Wahrscheinlichkeitsamplituden für verschiedene Möglichkeiten überlagern sich. Wird der Weg so gemessen, dass Weginformation verfügbar ist, verschwindet das Interferenzmuster.

Photonen in Technik und Alltag

Photonen begegnen Dir in vielen Anwendungen. In Digitalkameras werden sie in Sensorelementen absorbiert und in elektrische Signale umgewandelt. Solarzellen nutzen Licht, um bewegliche Ladungsträger zu erzeugen. LEDs senden Photonen bei elektronischen Übergängen aus. Laser liefern stark gebündeltes Licht. Glasfasern übertragen Informationen durch Lichtimpulse.

Röntgenphotonen besitzen deutlich mehr Energie als Photonen des sichtbaren Lichts. Sie können Materie durchdringen und werden in Medizin und Materialprüfung eingesetzt. Ihre hohe Energie macht zugleich einen sorgfältigen Strahlenschutz notwendig.

Auch moderne Quantenkommunikation, Einzelphotonenquellen und besonders empfindliche Detektoren beruhen auf der gezielten Erzeugung, Übertragung und Messung einzelner Photonen.

Merksätze

Photon: Ein Photon ist ein Quant des elektromagnetischen Feldes.
Photonenergie: Es gilt $E = h \cdot f = \frac{h c}{λ}$ .
Photonenimpuls: Es gilt $p = \frac{h}{λ}$ .
Lichtintensität: Bei gleicher Frequenz bedeutet größere Intensität meist mehr Photonen pro Zeit und Fläche.
Quantenobjekt: Photonen zeigen in verschiedenen Experimenten Wellen- und Teilcheneigenschaften.
Wechselwirkung: Photonen können erzeugt, absorbiert und gestreut werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wodurch wird die Energie eines Photons bestimmt? (Durch seine Frequenz) (!Durch seine elektrische Ladung) (!Durch seine Ruhemasse) (!Durch die Größe der Lichtquelle)

Welche Beziehung beschreibt die Photonenergie? (E gleich h mal f) (!E gleich m mal g mal h) (!E gleich ein Halb mal m mal v Quadrat) (!E gleich U mal I mal t)

Welches Photon besitzt mehr Energie? (Ein blaues Photon) (!Ein rotes Photon) (!Beide besitzen unabhängig von der Farbe immer gleiche Energie) (!Das Photon aus der schwächeren Lampe)

Welche Aussage zur Ruhemasse eines Photons ist richtig? (Sie ist null) (!Sie ist gleich der Elektronenmasse) (!Sie wächst mit der Frequenz) (!Sie hängt vom Material der Lichtquelle ab)

Was ist beim Photoeffekt für das Herauslösen von Elektronen entscheidend? (Das Überschreiten einer Grenzfrequenz) (!Nur eine lange Beleuchtungszeit) (!Nur eine große Entfernung zur Lichtquelle) (!Die elektrische Ladung des Photons)

Was bewirkt bei gleicher Frequenz eine höhere Lichtintensität meist? (Mehr Photonen treffen pro Zeit auf) (!Jedes Photon erhält automatisch mehr Energie) (!Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum steigt) (!Die Planck-Konstante wird größer)

Welche Formel beschreibt den Betrag des Photonenimpulses? (p gleich h durch Lambda) (!p gleich m mal v) (!p gleich F mal s) (!p gleich U durch I)

Was entsteht beim Doppelspalt nach vielen einzelnen Photontreffern? (Ein Interferenzmuster) (!Eine gleichmäßig dunkle Fläche) (!Eine einzige helle Linie ohne Struktur) (!Ein dauerhaft ruhendes Photon)

Was geschieht bei der Emission eines Photons? (Ein System gibt eine Energiedifferenz ab) (!Ein Photon erhält elektrische Ladung) (!Ein Elektron wird zu einem Photon) (!Die Lichtgeschwindigkeit wird verdoppelt)

Wie zeigt sich ein einzelnes Photon in einem Detektor? (Als einzelnes Nachweisereignis) (!Als messbare halbe elektrische Ladung) (!Als dauerhaft sichtbare Bahn) (!Als ruhende Lichtkugel)

Memory

Photon	Lichtquant
Frequenz	Schwingungen pro Sekunde
Wellenlänge	Abstand gleichphasiger Punkte
Planck-Konstante	Verknüpft Energie und Frequenz
Photoeffekt	Licht löst Elektronen heraus
Interferenz	Muster durch Überlagerung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Photonenphysik
Hohe Frequenz	Große Photonenergie
Kurze Wellenlänge	Großer Photonenimpuls
Höhere Intensität	Mehr Photonen pro Zeit bei gleicher Frequenz
Absorption	Energieübertragung vom Photon auf Materie
Emission	Aussendung eines neuen Photons

Kreuzworträtsel

Photon	Wie heißt ein einzelnes Quant elektromagnetischer Strahlung?
Planck	Welcher Nachname gehört zur Konstanten in der Beziehung zwischen Energie und Frequenz?
Compton	Welcher Effekt zeigt die Impulsübertragung eines Photons bei Streuung?
Laser	Welche Lichtquelle nutzt stimulierte Emission?
Interferenz	Wie heißt das Muster durch die Überlagerung von Wahrscheinlichkeitsamplituden?
Frequenz	Welche Größe bestimmt zusammen mit der Planck-Konstanten die Photonenergie?

LearningApps

Lückentext

Ein Photon ist ein Quant der

Strahlung. Seine Energie wächst mit der

. Die Proportionalitätskonstante heißt

. Eine kürzere Wellenlänge bedeutet einen größeren

. Im Vakuum bewegen sich Photonen mit

. Beim Photoeffekt müssen Photonen eine materialabhängige

überschreiten. Bei der Absorption überträgt das Photon seine Energie auf

. Beim Compton-Effekt wird ein Photon an einem

gestreut. Viele einzelne Treffer können am Doppelspalt ein

bilden. Ein Laser nutzt die stimulierte

.

Offene Aufgaben

Leicht

Photonen-Glossar: Erstelle ein eigenes Glossar mit acht zentralen Begriffen und erkläre jeden Begriff in höchstens zwei Sätzen.
Farben und Energie: Ordne rotes, grünes und blaues Licht nach Wellenlänge, Frequenz und Photonenergie und begründe Deine Reihenfolge.
Photonen im Alltag: Fotografiere oder zeichne fünf technische Geräte, in denen Photonen erzeugt, übertragen oder gemessen werden.
Modellzeichnung: Gestalte eine Zeichnung, die zeigt, warum ein Photon nicht einfach als winzige leuchtende Kugel verstanden werden sollte.

Standard

Photonenergie berechnen: Berechne die Energie eines roten und eines blauen Photons in Joule und Elektronenvolt und vergleiche die Ergebnisse.
Photoeffekt auswerten: Untersuche ein vorgegebenes Diagramm zur Gegenspannung und erkläre den Unterschied zwischen Frequenz und Intensität.
Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video zur Beziehung $E = h \cdot f$ mit einem selbst gewählten Alltagsvergleich.
Interview zur Lichttechnik: Befrage eine Fachperson aus Fotografie, Solartechnik, Medizin oder Nachrichtentechnik zur Bedeutung von Lichtdetektoren.

Schwer

Einzelphotonen-Experiment: Entwirf einen sicheren Schulversuch oder eine Simulation, mit der einzelne Nachweisereignisse und statistische Verteilungen untersucht werden.
Compton-Analyse: Erkläre anhand von Energie- und Impulserhaltung, warum die Wellenlänge des gestreuten Photons zunimmt.
Quantenweg-Debatte: Verfasse einen Dialog zwischen zwei Lernenden über die Frage, welchen Weg ein Photon am Doppelspalt nimmt, und korrigiere klassische Fehlvorstellungen.
Photonen-Ausstellung: Plane eine kleine Schulausstellung mit Experimenten, Modellen, Rechnungen und Medien zu Photoeffekt, Laser, Doppelspalt und Anwendungen.

Lernkontrolle

Energie und Farbe: Eine rote und eine blaue LED senden gleich viele Photonen pro Sekunde aus. Begründe, welche LED dabei mehr Strahlungsleistung abgibt.
Intensität und Photoeffekt: Eine Metallplatte wird mit Licht unterhalb der Grenzfrequenz immer stärker beleuchtet. Erkläre, warum trotzdem keine Photoelektronen austreten.
Detektorsignal: Zwei gleichfarbige Lichtquellen erzeugen in einem Sensor unterschiedlich viele Nachweisereignisse. Entwickle mindestens zwei mögliche Erklärungen.
Modellvergleich: Zeige, welche Beobachtungen am Doppelspalt mit einem reinen klassischen Teilchenmodell nicht erklärt werden können.
Strahlungsbewertung: Vergleiche sichtbares Licht und Röntgenstrahlung hinsichtlich Photonenergie, Nutzen und möglicher Risiken.
Techniktransfer: Wähle Kamera, Solarzelle oder Laser und erkläre die vollständige Kette von der Erzeugung oder Absorption eines Photons bis zum nutzbaren technischen Ergebnis.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du:

das Photon als Quant elektromagnetischer Strahlung fachlich korrekt beschreiben,
die Beziehungen zwischen Energie, Frequenz, Wellenlänge und Impuls anwenden,
einfache Photonenergien in Joule und Elektronenvolt berechnen,
Photoeffekt, Compton-Effekt und Doppelspalt als experimentelle Hinweise deuten,
Intensität und Energie einzelner Photonen klar unterscheiden,
Emission, Absorption und Streuung anhand von Energieübertragungen erklären,
eine technische Anwendung analysieren und die Grenzen anschaulicher Modelle benennen.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Photonen - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.