# Photonenenergie

Die Photonen-Energie (E) ist die Energiemenge eines einzelnen Photons in Elektronenvolt (eV). Ein Elektronenvolt entspricht dem Produkt der Elementarladung (e) und der Maßeinheit in Volt (V). Bei Teilchen wie Photonen oder Elektronen wird meist als Energieeinheit das Elektronenvolt (eV) und nicht das Joule (J) verwendet. Da ein Joule 6,24 × 10 $^{18}$ eV entspricht, kann diese SI Einheit aber für Photonen mit höherer Energie (ca. ab der Röntgenstrahlung) besser für die Bezeichnung verwendet werden.

## Formeln$^1$

Bei der Umrechnung in die SI-Einheit Joule hat das Elektronenvolt den Wert: 1 eV = 1,602 176 634 × 10 $^{−19}$ J
Die Gleichung für die Energie des Photons E = hc/λ,
wobei hc/λ (μm) = 1.23984193×10$^{-6}$ eV m = ca. 1,2398 eV/λ (μm) ist.
* E ist die Photonenenergie
* λ ist die Wellenlänge des Photons
* c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
* h ist das Plancksche Wirkungsquantum
Die Photonenenergie in Elektronenvolt, kann wie folgt auch vereinfacht berechnet werden: Da h und c beide konstant sind, ändert sich das Maß der Photonenenergie E umgekehrt mit der Wellenlänge λ. Die Gleichung zum Ermitteln der Photonenenergie in Elektronenvolt unter Verwendung der Wellenlänge in Mikrometern lautet ungefähr: E (eV) = 1,2398 / λ (μm). Diese Gleichung gilt nur, wenn die Wellenlänge in Mikrometern gemessen wird. Die Photonenenergie bei einer Wellenlänge von 1 μm, der Wellenlänge der nahen Infrarotstrahlung, beträgt ungefähr 1,2398 eV.

## Beispiel

Der Spektralbereich von Rot bei ca. 700 nm (0,7 μm) beträgt 1,2398 eV / 0,7 (μm) = 1,77 eV, Violett bei ca. 400 nm (0,4 μm) = 1,2398 eV / 0,4 (μm) = 3,1 eV, hat dagegen eine höhere Photonenenergie pro Photon. Dies bedeute, je kleiner die Wellenlänge desto höher die Energie des Photons. Spektralbereiche der Photonenenergie sind: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung bis zur Höhenstrahlung.

## Entstehung der Photonenenergie

Photonenenergie (Energieportion) z.B. im sichtbarem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, entsteht beispielsweise durch Absorption/Emission eines Photons oder eines inelastischer Stoßes mit einem anderem Atom oder Elektron. Photonenenergie kann durch Materie reflektiert, gestreut, absorbiert und emittiert werden.
Wenn ein Atom eine passende Energieportion aufnimmt, ändert sich sein Energiezustand von einem niedrigeren auf ein höheres Energieniveau. Gibt ein Atom eine Energieportion ab, ändert sich sein Energiezustand ebenfalls, nun aber von einem höheren zu einem niedrigeren Energieniveau. Atome können diese zusätzliche Energie nur in ganz bestimmte Energieportionen aufnehmen bzw. abgeben. Siehe die Beschreibung von Max Plank und Albert Einstein im Bereich der Quantenphysik.
Beispiel am Wasserstoffatom: Das Wasserstoffatom (H) besteht aus einem Proton und einem Elektron, das dieses Proton (Kern) umkreist. Die dadurch entstehende elektromagnetische Kraft zwischen dem positiven Proton und negativen Elektron ergibt eine Reihe von Quantenzuständen (siehe Quantenphysik) für das Elektron, mit einer jeweils eigenen Energie.
Geht das Wasserstoffatom vom angeregtem Zustand z.B. m=3 in den Grundzustand z.B. m=2, ist die Energiedifferenz m3–m2 bei der Balmer-Serie=12,09 eV – 10,2 eV = 1,89 eV. Dies ist die Energie des Photons bzw. die Photonenenergie die emittiert wird, mit einer Wellenlänge von 1,2398 eV/λ (μm) / 1,89 eV = 0,656 μm = 656 nm (roter Bereich des elektromagnetischen Spektrums). Wenn die Wellenlänge der abgegebenen Energie im Bereich des sichtbarem Lichts liegt, nennt man es Lichtemission.
Anregungsenergie des Wasserstoffatoms der Balmer - Serie: m2=10,20 eV, m3=12,09 eV, m4 = 12,75 eV, m5 =13,18 eV, m6=13,60 eV.
* Energieniveau = m, wird offt auch mit n benannt.
* Grundzustand = m2 im o.g. Berechnungsbeispiel.
* Anregunsenergie in eV jeweils vom Grundzustand aus gemessen.
Anmerkung: Die Hauptquantenzahl n beschreibt die Schale um den Atomkern (bzw. das Haupt-Energieniveau), zu der der Zustand des Elektrons gehört.
Wasserstoffatom der Balmer-Reihe für Wellenlängen im sichtbarem Bereich: λ 656nm (rot), λ 486nm (cyan), λ 433nm (blau) und λ 410nm (violett). Dies sind die Wellenlängen des Emissionsspektrums (Atomspektrum) eines einzelnen Atoms, bzw. die Intensität/Photonenenergie des von ihm ausgesandten/emittierten Lichts (Photon) als Funktion der Wellenlänge.
Diese Wellenlängen können durch Beobachtung und Messung der Spektrallinien (mit Hilfe der Spektroskopie) ermittelt werden. Sie entstehen durch den Atomübergang eines Elektrons zwischen zwei Energieniveaus. Die spektrale Emission (Aussenden) des Photons bei diesem Atomübergang, hat immer die selbe Energie und entspricht der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen der niedrigen und höheren Energie.

## Spezielle Eigenschaften und Wechselwirkungen

Die Photonenenergie ist nur eine Funktion der Wellenlänge. Andere Faktoren wie die Strahlungsintensität haben keinen Einfluss auf die Photonenenergie. Mit anderen Worten, zwei Lichtphotonen mit derselben Farbe z.B. Rot und daher derselben Wellenlänge von 700 nm haben dieselbe Photonenenergie, selbst wenn eines von der Sonne und das andere von einer Leuchtdiode emittiert wird. Auch wird die Photonenenergie eines Photons entweder als Ganzes absorbiert und emittiert oder gar nicht.
Wechselwirkungen mit Materie
* 5 eV bis 100 keV: Photoeffekt
* 50 keV bis 1 MeV: Compton-Effekt
* 1,022 bis 6 MeV: Paarbildung
Photonenenergie kann durch Materie reflektiert, gestreut, absorbiert und emittiert werden.
Eine der wichtigsten physikalischen Eigenschaften, die Max Planck entdeckt hat, ist das Energie von Körpern nicht kontinuierlich sondern in Sprüngen als Pakete den sogenannte Quanten oder von ihm auch elementares Wirkungsquantum genannt, abgegeben wird. Das sind die Energiepakete (Photonenenergie) wie Albert Einstein sie nannte. Photon ist ein Quantenobjekt, woraus die elektromagnetische Welle (z.B. auch die Lichtstrahlung) besteht.

## Anmerkung über Photonen im Bereich des sichtbaren Lichts

Photonen kann man auch als Lichtquanten oder Lichtteilchen bezeichnen. Sie sind Elementarteilchen und nicht weiter teilbar. Photonen haben sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften (siehe Doppelspaltexperiment), wobei man sie sich z.B. bei Licht besser als Teilchen denn als Wellen vorstellen kann.