Quantenoptik

Während die Strahlenoptik mit der Geometrie in den anschaulichen drei Dimensionen und einfachen ergetischen Betrachtungen auskam, kommen wir in der Optik nicht ohne das Wesen der elektromagnetischen Strahlung aus. Gegenstand der Optik sind Photonen, das sind in Ausbreitungsrichtung etwa 3m lange elektromagnetische Wellenzüge. Diese Länge, die Kohärenzlänge , ergibt sich aus der Entstehungszeit von etwa $10^{-8}$ Sekunden des Photons und der Lichtgeschwindigkeit.

Photonen sind Spin-1-Teilchen und somit Bosonen. Wesentlich ist, daß für die die Bose-Einstein-Statistik gilt. Und daran ist das Wesentliche, dass sie sich gegenseitig nicht behindern. Es dürfen sich beliebig viele identische Photonen an ein und derselben Stelle aufhalten. Elektronen dürfen das zum Beispiel nicht. Sie haben den Impuls $p=h/\lambda = h \nu/c$ mit dem Planckschen Wirkungsquantum $h$. Ihre Energie beträgt $E = h \nu = h c/\lambda$. Die Energie eines Photons ist aufgrund des winzigen Planckschen Wirkungsquantums sehr klein und wird deshalb in Elektronenvolt (eV) angegeben. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es durch eine elektrische Spannung von einem Volt beschleunigt wird. Ein (rotes) Photon mit einer wellenlänge von 620 nm hat eine Photonenenergie von etwa 2 eV.

Je nach Energiegehalt wechselwirken Photonen mit Materie im Wesentlichen in folgender Weise:

E	Wechselwirkung
< 1 eV	Anregung höherer energetischer Zustände von Elektronen, keine Ionisation.
1 eV - 100 keV	Photoeffekt, d.h. Lösung eines Elektrons aus seiner Bindung.
50 keV - 1 MeV	Compton-Effekt, d.h. Streuung an geladenen Teilchen.
1,022 - 6 MeV	Paarbildung, beipielsweise durch die Bildug eines Elektron-Positron Paares durch die Wechselwirkung eines Photons mit dem elektrischen Feld eines Atomkerns. Der Kern wird zur Aufnahme des Rückstoßes wegen der Impulserhaltung gebraucht.
2,18 - 16 MeV	Kernphotoeffekt, d.h. Lösung eines Protons oder Neutrons aus der Kernbindung.
höhere Energien	Photodesintegration, d.h. photoneninduzierte Kernspaltung.

Die alltägliche Optik spielt sich nur im Bereich der beiden erstgenannten Effekte ab.