Zerfall von Photonen

Laut aktueller Schulmeinung kann ein Photon nicht zerfallen. Diese Annahme beruht auf der speziellen Relativitätstheorie die bekanntlich besagt, dass für Dinge die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, keine Zeit vergeht. Photonen sind ja bekanntlich Lichtteilchen ergo bewegen sie sich mit Lichtgeschwindigkeit. Deshalb vergeht für sie keine Zeit ergo können sie nicht Zerfallen, da ein Zerfall ein Zeitabhängiger Prozess ist. Dies gilt zumindest für Licht im Vakuum. Wir wissen aber dass sich die Geschwindigkeit des Lichts verringert wenn es sich in einem Medium bewegt. Das macht sich die Optik zunutze. Lichtbrechung usw. Nun ist die Geschwindigkeit etwas geringer als Lichtgeschwindigkeit, das heisst für Photonen mit solcher niedrigerer Geschwindigkeit müsste wieder Zeit vergehen. Das heisst auch dass die Möglichkeit eines Zerfalls besteht.

Was denkt ihr darüber? Ich hoffe ich habs einigermaßen verständlich beschrieben^^

Los_Locos schrieb:Laut aktueller Schulmeinung kann ein Photon nicht zerfallen. Diese Annahme beruht auf der speziellen Relativitätstheorie die bekanntlich besagt, dass für Dinge die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, keine Zeit vergeht. Photonen sind ja bekanntlich Lichtteilchen ergo bewegen sie sich mit Lichtgeschwindigkeit.

das ist subjektive wahrnehmung der zeit und objektive.
wenn sich etwas mit lichtgeschwindigkeit bewegt oder zu nah am schwarzen loch ist, sieht es für dich so aus, als ob es sich nicht mehr bewegt. es sieht so aus, als ob die zeit für das "objekt" stillsteht.

Aber auch für das Ding selber vergeht tatsächlich keine Zeit. Wurde mit zwei Uhren nachgewiesen. Eine wurde in ein Flugzeug gepackt, das dann über den Atlantik und wieder zurück geschickt wurde. Die andere verblieb am Boden. Das Ergebnis war, dass die Uhr im Flugzeug etwas nachging, da sich das Flugzeug bewegte. Dieses Experiment wurde zigmal wiederholt. Jedes mal mit dem selben Ergebnis. Gilt als Beweis für diesen Effekt.

Los_Locos schrieb:Wir wissen aber dass sich die Geschwindigkeit des Lichts verringert wenn es sich in einem Medium bewegt.

In einem Medium wechselwirken die Photonen mit den Atomen bzw. den Molekülen. Diese Wechselwirkungen benötigen Zeit. Zwischen den Teilchen bewegen sich die Photonen aber immer mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit c. Unterm Strich bewegen sich die Photonen in einem Medium daher scheinbar mit < c.

@Celladoor

Gut, ist einleuchtend und somit erklärt. Danke! ;-)

Celladoor schrieb:Zwischen den Teilchen bewegen sich die Photonen aber immer mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit c.

weil da vakuum ist, ne? :)

@Malthael
Ne Kleinigkeit die ich übersehen hatte^^ Nichts kann man ja leicht übersehen höhö

Malthael schrieb:weil da vakuum ist, ne? :)

Ja. Das Ding zwischen den Teilchen nennt sich üblicherweise Vakuum.

@Los_Locos

Los_Locos schrieb:Laut aktueller Schulmeinung kann ein Photon nicht zerfallen.

DAs verstehe ich nicht.

Siehe dir z.B. folgendes Feynman-Diagramm an:

Zerfall eines Photons in ein Elektron und ein Positron

Wikipedia: Feynman-Diagramm#Aufbau

@mojorisin

das ist wohl etwas unglücklich forumliert, da zerfällt nämlich nichts, sondern die Energie des Photons wird einfach in Masse umgesetzt, in diesem Fall zu einem Elektron und Positron, nennt sich Paarbildung ;)

Wikipedia: Paarbildung (Physik)

@Los_Locos

Ich befürchte du bringst da einige Sachen durcheinander.

Los_Locos schrieb:Laut aktueller Schulmeinung kann ein Photon nicht zerfallen.

Wie @mojorisin schon angedeutet hat zerfallen Photonen ganz offensichtlich schon laut aktueller Lehrmeinung.

Diese Annahme beruht auf der speziellen Relativitätstheorie (SRT) die bekanntlich besagt, dass für Dinge die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, keine Zeit vergeht.

Und schon garnicht tut ein Photon nicht zerfallen, weil die SRT besagt, dass für Dinge die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen keine Zeit vergeht. Zeit ist erst einmal ein relativer Begriff und abhängig vom Beobachter. Während die Zeit für dich als mitbewegten Beobachter im Raumschiff "normal" verläuft, wird ein Beobachter auf der Erde feststellen, dass deine Uhr an der Wand langsamer vergeht als seine.

Die SRT ermöglicht es nun mit Hilfe der sogenannten Lorentztransformation zwischen den Beobachtern eine Art Wörterbuch ala "wieviel Zeit T ist an Ort XY vergangen während auf meiner Uhr 1/2/5 Minuten etc. vergangen sind" zu erstellen.

Soviel zur SRT und seine Beobachter die sich mit v< c bewegen. Für ein Photon hingegen gibt es so ein Wörterbuch nicht, sprich, die Übersetzung versagt für ein relativ zum Photon bewegten Beobachter. Man kann also keine Aussage derart treffen, dass während bei dir 1 Minute vergeht beim Photon keine Zeit vergangen ist. Was einem die SRT gibt ist, dass das vierdimensionale Linienelement beim Photon gleich Null ist, bzw. das, dass Photon lichtartig ist. Wie man mit einfach Worten erklären kann was das bedeutet, weiß ich gerade nicht. Aber vielleicht jemand anderes.

Los_Locos schrieb:Wir wissen aber dass sich die Geschwindigkeit des Lichts verringert wenn es sich in einem Medium bewegt.

@Celladoor hatte das ja schon angesprochen. Trotzdem muss man hier immer vorsichtig sein, was man mit Geschwindigkeit eigentlich meint. Du sprichst hier nämlich nicht mehr von einem Photon als Teilchen. Es gibt nämlich auch Medien wie Cäsium in denen die Gruppengeschwindigkeit des Lichts größer c oder sogar negativ sein kann.

Los_Locos schrieb:Das heisst auch dass die Möglichkeit eines Zerfalls besteht.

Definitiv, solange die Regeln der Physik dabei nicht verletzt werden.

Mal eine Frage: Wenn ein Photon zerfällt, worin soll es denn dann zerfallen ?!
Ich meine, Neutronen zerfallen in Elektronen, Protonen und Neutrinos. Atomkerne zerfallen zu leichteren Atomkernen +Heliumkerne oder Elektron/Positron+Neutrino/Antineutrino, oder geben Gammastrahlung ab, welche im Grunde ja "aus Photonen/Gammaquanten besteht".
Ich nahm an Photonen seien nur "Energiebündel", dessen Energiewert einem vielfachen des Pl.Wirkunsquatums entspricht.

Betrachte ich ein Photon als Teilchen, würde mir folgendes einfallen:
Das einzige was mir zum Zerfallsprodukt eines Photons einfallen würde wäre der "Zerfall" in weitere Photonen mit geringerem Energiewert. Die wiederum zerfallen, bis man bei Photonen-Winzlingen mit einem Energiewert von einem einzigen Pl.Wirkunsquantums ankommt, welche, obwohl sie Photonen sind, dann auch nicht mehr Zerfallen könnten.

Was anderes was mir einfällt wäre, und dafür müsste man Photonen als Wellen betrachten, was ja für Licht typischerweise eine "verschränkte/überlappende/einfügende" Kombination aus magnetischen und elektrischen Wellen ist, dass die elektromagnetische Welle "sich in Magnetisch und Elektrisch 'aufspaltet' ". Wäre dann glaube ich ein Magnon + (?).

Aber trotzdem kann ich mir das nicht so richtig vorstellen, kommt mir beides irgendwie verdammt unlogisch vor.
Kann mir das Jemand vielleicht erklären? :)

@ceyxx

ceyxx schrieb:Wenn ein Photon zerfällt, worin soll es denn dann zerfallen ?!

Üblicherweise in ein Teilchen + dessen Antiteilchen. Also z.B. Elektron + Positron, Proton + Antiproton usw. Je nach dem wie viel Energie im Photon steckt. Zumindest ist das die einfachste Möglichkeit allen Erhaltungssätze gerecht zu werden.

@zodiac68
Ah stimmt, daran hatte ich nicht gedacht... Teilchen + Antiteilchen -> Annihilation -> Photonen, dann ist es nur logisch, dass es andersrum auch funktioniert.
Aber was spricht denn dagegen, dass sich das Teilchen/Antiteilchen-Paar nach der Entstehung nicht sofort wieder gegenseitig auslöscht, und wieder Photonen entstehen? Gerade bei Elektron+Positron, welche entgegengesetzte Ladungen besitzen, dürfte das ja recht schnell entstehen. Es sei denn sie haben genug kinetische Energie um sich voneinander zu entfernen, nur müsste diese Energie irgendwo herkommen. Oder sie bilden ein hypothetisches Positron-Elektron Paar, analog zum Wasserstoff (sie kreisen "umeinander" und annihilieren sich nicht), welches bisher noch nicht nachgewiesen wurde.

Edit: Doch, das "Positronium" wurde bereits nachgewiesen ;) Mein Fehler.

@ceyxx

ceyxx schrieb:Aber was spricht denn dagegen, dass sich das Teilchen/Antiteilchen-Paar nach der Entstehung nicht sofort wieder gegenseitig auslöscht, und wieder Photonen entstehen?

Nicht. Vermutlich passiert das auch immer wieder.

ceyxx schrieb:Es sei denn sie haben genug kinetische Energie um sich voneinander zu entfernen, nur müsste diese Energie irgendwo herkommen.

Diese kinetische Energie kommt aus dem Photon. Das hat ja vermutlich nicht bis zu letzten Stelle hinter dem Komma genau die Energie die es braucht um die zwei Teilchen zu erzeugen. Da bleibt was übrig und das wir zur Bewegung der Teilchen.

Wobei sich, im Normalfall, das Anti-Teilchen dann schnell einen Normalo-Gegenpart findet und du hast dein Photon wieder (abzüglich der kinetischen Energie des anderen Normalo-Teilchens)

@zodiac68
Soweit vielen Dank, aber mir ist gerade eine weitere Frage eingefallen:

Soweit ich das verstanden habe zerfallen Photonen immer in ein Teilchen+Antiteilchen-Paar.
Und wie gesagt beträgt der Energiewert eines Photons immer ein mehrfaches des Planckschen Wirkungsquantums. Da ist es nur logisch, und so bleiben auch die Energieerhaltungssätze erhalten, dass die zwei Zerfallsprodukte inklusive ihrer kinetischen Energie einen Energiewert besitzen welcher der hälfte des Energiewertes des Ausgangsphotons entspricht, wie bereits von dir beschrieben.

Da sehe ich aber 2 Probleme:
Das pl.Wirkungsquantum ist "die kleinste Energieeinheit", angaben wie 1,2h oder 3,7h ("h" steht hier für das pl.Wirk.quantum) gibt es schließlich nicht. Der Energiewert eines Photons ist in "h" ausgedrückt immer ganzzahlig, genau wie bei allen anderen Teilchen wie zb. Elektronen und Positronen.

Das erste Problem wäre:Was wenn der Energiewert des Photons ungerade ist? Bleibt ein h übrig und wird dann zur kinetischen Energie eines, aber nicht beider Zerfallsprodukte? Erscheint logisch. Nur kommt es mir seltsam vor, dass eine solche "asymmetrie" bei Photonenzerfall auftreten kann, und ein Teilchen mehr Energie besitzt als sein Partner.

Was aber, und dann kommen wir zum zweiten Problem, passiert wenn der Energiewert eines Photons exakt einem h entspricht? Man kann es nicht weiter aufteilen. 2 oder mehr Teilchen können keine gemeinsame Gesamtenergie von exakt einem h aufweisen, weil das bedeuten würde, jedes einzelne Teilchen hätte einen Energiewert <1h und >0h. Was es schlichtweg nicht gibt (nach meinem Wissensstand, nimmt es mir nicht übel wenn ich mich irre).

@ceyxx

ceyxx schrieb:Was wenn der Energiewert des Photons ungerade ist? Bleibt ein h übrig und wird dann zur kinetischen Energie eines, aber nicht beider Zerfallsprodukte?

Ich hab schlicht keine Ahnung.
Das die überzählige Einheit irgend wo untergebracht wird ist sicherlich das wahrscheinlichste. Aber in dem Bereich können wir nicht messen, es gibt nur Mutmaßung. Es wäre auch denkbar das die überzählige Energie irgend-wie auf die Teilchen verteilt wird. Also nicht genau 50/50 sondern nur ungefähr. Dann spielt das eine h auch keine Rolle.

Was aber ... passiert wenn der Energiewert eines Photons exakt einem h entspricht?

Gar nix.
Das leichteste Elementarteilchen ist das Elektron (?). D.h. du musst mindestens so viele h's haben um da draus ein Elektron und ein Positron zu bilden. Hat das Photon das nicht wird es auch nicht zerfallen. Und dein Problem mit Photon=1h löst sich in Luft auf.

Photonen sind Elementar und können nicht zerfallen. Sie können absorbiert werden oder sich zu höheren Elementen wandeln, aber nicht zerfallen.
Protonen zum Beispiel könnten zerfallen, weil sie selbst aus noch kleineren Bausteinen zusammengesetzt sind.

@ Bubba78

aus dem Jahre 2002

Forscher des Budker-Instituts für Kernphysik (BINP) in Nowosibirsk haben erstmals den Zerfall eines hochenergetischen Photons in zwei niederenergetische Lichtteilchen beobachtet. Dies berichtet jetzt das Fachblatt „Physical Review Letters“ (Band 89). Der extrem seltene Zerfall wurde bereits vor Jahrzehnten von der Quantenfeldtheorie vorhergesagt. Die Kernphysiker um Alexander Milstein schossen hochenergetische Gammastrahlen auf einen Kristall aus Wismut-Germanat. Von den 1,6 Milliarden Photonen, die auf die Detektoren hinter dem Kristall auftrafen, wiesen etwa vierhundert eine zerfallstypische Energiebilanz auf. Physiker waren seit langem von der Existenz des Photonenzerfalls überzeugt – allerdings ist dessen Nachweis enorm schwierig.

@Urotsukidoji

Sehr interessant! Wobei man hier nicht von einem echten Zerfall sprechen kann. Hier scheint eine Interaktion mit dem Wismut-Germanat stattzufinden, wobei das bei Gammastrahlen nicht unbedingt aussergewöhlich ist. Gamma-Photonen reagieren ja auch mit sich selbst und erzeugen Teilchenpaare.

Kurz gesagt bezweifle ich, dass isolierte Gammastrahlung oder überhaupt Photonen zerfallen können. Isolierte Neutronen zum Beispiel tun dies und dafür brauchen die keine 15 Min.