Photonen (vonaltgriechisch φῶςphōs „Licht“; Einzahl „das Photon“), auchFotonen, auchLichtquanten oderLichtteilchen, sind anschaulich gesagt die Energie-„Pakete“, aus denenelektromagnetische Strahlung besteht.
Physikalisch wird das Photon alsAustauschteilchen betrachtet. Nach derQuantenelektrodynamik gehört es als Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zu denEichbosonen und ist somit einElementarteilchen. Das Photon hat keineMasse, aber eineEnergie und einenImpuls – die beide proportional zu seinerFrequenz sind – sowie einenDrehimpuls. Ist sein Aufenthalt auf ein System mit endlichem Volumen beschränkt, liefert es proportional zu seiner Energie einen Beitrag zur Masse des Systems.
Die Entdeckung der Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung ging im Jahr 1900 vomplanckschen Strahlungsgesetz aus, das dieWärmestrahlung einesschwarzen Körpers beschreibt. Um dieses Gesetz theoretisch erklären zu können, mussteMax Planck annehmen, dass die Oberfläche des schwarzen Körpers zu jeder Frequenz nurdiskrete, zur Frequenz proportionale Energiemengen mit dem elektromagnetischenFeld austauschen kann. Planck selbst stellte sich allerdings nur den Energieaustausch quantisiert vor, noch nicht die elektromagnetische Strahlung an sich.
Albert Einstein stellte dann 1905 in seiner Publikation zumphotoelektrischen Effekt dieLichtquantenhypothese auf. Ihr zufolge ist Licht ein Strom von „in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen, und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können“.[1] Aufgrund verbreiteter Zweifel an diesen Ansichten wurden diese Arbeiten erst 1919[Anm. 1] (Planck) und 1922[Anm. 2] (Einstein) mit demNobelpreis ausgezeichnet.
Vielfach wurde der Teilchencharakter der elektromagnetischen Strahlung aber weiterhin bezweifelt, bisArthur Compton undWalter Bothe in den Jahren 1923–1925 nachweisen konnten, dass Röntgenstrahlung auf einzelne Elektronen genau so wirkt wie der Beschuss mit einzelnen Teilchen, deren Energien und Impulse Werte wie Lichtquanten entsprechend der Wellenlänge der benutzten Röntgenstrahlen haben. Für die Entdeckung undInterpretation des nach ihm benanntenCompton-Effekts erhielt Compton 1927 (als einer von zwei Ausgezeichneten) den Nobelpreis für Physik.
Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde seit 1925 beginnend mit Arbeiten vonMax Born,Pascual Jordan undWerner Heisenberg entwickelt. Die heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung ist dieQuantenelektrodynamik (QED); sie beschreibt auch die Lichtquanten. Sie geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit vonPaul Dirac im Jahre 1927 zurück, in der die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom analysiert wird.[2] Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung desNobelpreises für Physik anRichard Feynman,Julian Schwinger undShin’ichirō Tomonaga gewürdigt. In der QED ist das elektromagnetische Feld selbst quantisiert und das Photon seine elementare Anregung.
Albert Einstein schrieb 1951 in einem Brief an seinen FreundMichele Besso:
„Die ganzen 50 Jahre bewusster Grübelei haben mich der Antwort der Frage ‚Was sind Lichtquanten‘ nicht näher gebracht. Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er täuscht sich …“[3]
Das WortPhoton leitet sich vom griechischen Wort für Licht,φῶς (phôs), ab. Der Name war durch verschiedene Autoren schon seit 1916 für eine kleine Energiemenge, die einen photochemischen oder photoelektrischen Effekt auslösen kann, eingeführt worden, wurde aber kaum beachtet.[4] Max Planck z. B. sprach in seiner Nobelpreisrede 1920 noch von „Lichtquanten“.Endgültig wurde der Name durch Arthur Compton bekannt gemacht,[4] der sich dabei auf eine Veröffentlichung des ChemikersGilbert Newton Lewis im Jahre 1926[5] berief. Lewis verwandte den Begriff im Rahmen eines von ihm vorgeschlagenen Modells der Wechselwirkung von Atomen mit Licht. Dieses Modell sah unter anderem fälschlich eine Erhaltung der Photonenzahl vor und wurde allgemein nicht anerkannt.
Für das Photon wird im Allgemeinen das Symbol (gamma) verwendet. In derHochenergiephysik ist dieses Symbol allerdings reserviert für die hochenergetischen Photonen derGammastrahlung (Gamma-Quanten), und die in diesem Zweig der Physik ebenfalls relevantenRöntgenphotonen erhalten häufig das SymbolX (vonX-Strahlen und Englisch:X-ray).
Gibt man, wie in der Atom- und Teilchenphysik üblich, die Energie des Photons inElektronenvolt (eV) an, so ergibt sich:[6][7]
1 eV ≙ ν = 241,8 THz
1 eV ≙ λ = 1,240 μm
Beispiel: Rotes Licht mit 620 nm Wellenlänge hat eine Photonenenergie von ca. 2 eV.
Das Photon mit der bislang höchsten Energie, mehr als 100 TeV, wurde 2019 von chinesischen Wissenschaftlern aus einem Detektorfeld in Tibet vermeldet. Es stammte wahrscheinlich aus demKrebsnebel.[8]
Jegliche elektromagnetische Strahlung, vonRadiowellen bis zurGammastrahlung, ist in Photonengequantelt. Das bedeutet, die kleinstmögliche Energiemenge an elektromagnetischer Strahlung bestimmter Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, das heißt, sie unterliegen keinem spontanen Zerfall. Sie können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Ein Photon besitzt keineMasse. Daraus folgt, dass es sich im Vakuum immer mitLichtgeschwindigkeit bewegt, sofern es in einem Zustand mit wohldefiniertem Impuls ist, also durch eine einzigeebene Welle darzustellen ist. Sonst bewegt es sich mit derGruppengeschwindigkeit der beteiligten ebenen Wellen. Ein Photon im Überlagerungszustand von Impulsen mehrerer Richtungen bewegt sich auch im Vakuum langsamer als die Lichtgeschwindigkeit(sieheBessel-Strahl). In optischen Medien mit einemBrechungsindex ist die Gruppengeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie um den Faktor verringert.
Zum Nachweis von Photonen können unter anderemPhotomultiplier,Photoleiter oderPhotodioden verwendet werden.CCDs,Vidicons,PSDs,Quadrantendioden oder Foto-Platten und Filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. ImIR-Bereich werden auchBolometer eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durchGeigerzähler einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier undAvalanche-Photodioden können auch zur Einzelphotonendetektion im optischen Bereich verwendet werden, wobei Photomultiplier im Allgemeinen die niedrigere Dunkelzählrate besitzen, Avalanche-Photodioden aber noch bei niedrigeren Photonenenergien bis in den IR-Bereich einsetzbar sind.
Das Photon ist ein Elementarteilchen mit derMasse. Neben experimentellen Messungen, die diese Tatsache sehr gut belegen, ist dies auch theoretisch gut begründet.
Das Photon ist dasQuant des elektromagnetischen Feldes und verhält sich deshalb nach den Bewegungsgleichungen dieses Feldes, also denMaxwell-Gleichungen der klassischen Physik. Da die elektromagnetische Energieflussdichte bis auf den Faktor (Lichtgeschwindigkeit) mit der Impulsflussdichte übereinstimmt (siehePoynting-Vektor), gilt für jede elektromagnetisch transportierte Energie und ihren Impuls die Gleichung
Zudem gilt nach der speziellen Relativitätstheorie allgemein für jede Art von Teilchen und Systemen dieEnergie-Impuls-Relation
Dagegen würde ein Feld mit Teilchen der Masse einen zusätzlichen Term erfordern.Wenn man einen solchen Term einfügen würde, verletzte man zwangsläufig die unverzichtbare Invarianz der Lagrange-Dichte unter den klassischenEichtransformationen des elektromagnetischen Feldes. Anders als die meisten Elementarteilchen erhält das Photon auch keine Masse durch denHiggs-Mechanismus infolge einerspontanen Symmetriebrechung. Denn das Photon ist imStandardmodell das Eichboson derjenigen Symmetrie, dienach der Symmetriebrechung übrig bleibt; entsprechend trägt dasHiggs-Boson auch keine elektrische Ladung und wechselwirkt nicht mit dem Photon.
Beschreibung mithilfe einer „relativistischen Masse“
Bisweilen wird argumentiert, man könne aufgrund derÄquivalenz von Masse und Energie dem Photon eine Masse zuschreiben. Dies entspräche dem allgemeinen Konzept einer „relativistischen Masse“ bewegter Körper im Unterschied zu ihrer „Ruhemasse“. Dieses Konzept gilt mittlerweile als überholt, weil man es vorzieht, den Begriff „Masse“ für eine Eigenschaft des Teilchens als solches zu reservieren, während die „relativistische Masse“ bei Teilchen mit>0 je nach der kinetischen Energie, also je nach der Relativgeschwindigkeit zwischen Teilchen und Beobachter, einen anderen Wert hat. Bei Anwendung des Begriffs auf das Photon wären zwei Unterschiede zu beachten: hängt dann nicht von der Geschwindigkeit ab, weil diese für jeden Beobachter gleich ist, und ist dann nicht zur „Ruhemasse“ proportional, weil diese Null ist.
Photonen und Gravitation
Photonen haben zwar keine Masse, übertragen aber Energie. Daher nimmt die Masse eines Systems um ab bzw. zu, wenn es ein Photon der Energie emittiert oder absorbiert.Trägheit undGravitationswirkung des Systems ändern sich entsprechend. Das gilt auch, wenn das System ein Hohlraum ist, in dem ein Photon in Gestalt einer stehenden Welle (mit demErwartungswert des Impulses) enthalten sein kann.Photonen gehören also selbst zu den Quellen der Gravitation, indem sie mit ihrer Energiedichte die Krümmung der Raumzeit beeinflussen (sieheEnergie-Impuls-Tensor in der allgemeinen Relativitätstheorie).
Photonen werden auch durch Gravitation beeinflusst. So ändert sich die Energie eines Photons, wenn es sich in einem Gravitationsfeld aufwärts oder abwärts bewegt, genau so wie die kinetische Energie eines auf der gleichen Strecke frei fliegenden Körpers mit der Masse. Die nähere physikalische Beschreibung ist allerdings sehr verschieden: Bei der Aufwärtsbewegung massiver Körper wird kinetische Energie durch Arbeitsleistung in potentielle Energie umgewandelt, und falls sie in einem hinreichend starken Gravitationsfeld ganz verbraucht wird, wird die Geschwindigkeit Null und wechselt dann ihr Vorzeichen (der Körper fällt zurück). Beim Photon verringert sich hingegen durch diegravitative Rotverschiebung die Frequenz, während die Geschwindigkeit konstant bleibt.
Auch die Ablenkung des Lichts in einem Schwerefeld lässt sich nicht durch eine Anziehungskraft wie die Newton’sche Massenanziehung erklären, denn Teilchen, die mit Lichtgeschwindigkeit fliegen, würden nach der Newtonschen Mechanik nur halb so stark abgelenkt wie das Licht (siehe auchTests der allgemeinen Relativitätstheorie).
Wenn die Masse des Photons verschieden von Null wäre, dann würde sie sich durch verschiedene Folgen bemerkbar machen. Keine von ihnen ist bisher beobachtet worden. Die Genauigkeit der Experimente erlaubt die Aussage, dass eine eventuelle Photonenmasse in jedem Fall unter liegen muss, das ist derste Teil der Masse des Wasserstoffatoms.
Falls Photonen Masse hätten,
dann würde sich für das elektrostatische Feld einer Punktladung statt desCoulomb-Potentials einYukawa-Potential ergeben, also ein zusätzlicher exponentieller Abschwächungsfaktor. Dass dies in Laborexperimenten nicht beobachtet wurde, lässt darauf schließen, dass eine eventuelle Masse des Photons nicht größer als sein kann.[9][10]
dann hätte das Feld eines magnetischen Dipols eine Komponente antiparallel zum Dipol, die in erster Näherung räumlich konstant und proportional zur angenommenen Masse des Photons ist. Durch Vermessung des Erdmagnetfelds kann die Existenz eines solchen Beitrags soweit ausgeschlossen werden, dass die eventuelle Masse des Photons nicht oberhalb liegen kann.[11]
dann würden sich für das Magnetfeld eines rotierenden Dipols Änderungen ergeben, die sich im Fall der Sonne amSonnenwind bis zum Abstand desPluto auswirken würden.[9] Solche Abweichungen konnten bislang nicht nachgewiesen werden, woraus sich die momentan (Stand: 2023) niedrigste modellunabhängige experimentelle Obergrenze von für eine eventuelle Photonenmasse ergibt.[10]
dann wäre die Konstantec, die in der Relativitätstheorie Raum und Zeit in Beziehung zueinander setzt (üblicherweise „Lichtgeschwindigkeit“ genannt), nicht identisch mit der Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum. Diese Geschwindigkeit wäre dann von der Frequenz abhängig (Dispersion). Die Beziehung würde nicht mehr exakt gelten.
Während etwa der Elektronenspin parallel oder antiparallel zu einerbeliebig vorgegebenen Richtung ist,[12] kann der Photonenspin wegen fehlender Masse nur parallel oder antiparallel zurFlugrichtung, also zu seinem Impuls, orientiert sein. DieHelizität der Photonen einer zirkular polarisierten Welle ist daher eine charakteristische Größe. Wird durch einen Spiegel die Ausbreitungsrichtung umgekehrt, oder wird die Rotationsrichtung umgekehrt, zum Beispiel durch eineλ/2-Platte, so wechselt die Helizität das Vorzeichen.
Linear polarisierte elektromagnetische Wellen bestehen aus der Überlagerung von rechts und links polarisierten Photonen. Auch ein einzelnes Photon kann linear polarisiert werden, indem zwei entgegengesetzt zirkular polarisierte Zuständeüberlagert werden. DerErwartungswert des Drehimpulses längs der Flugrichtung ist dann Null, jedoch ist in einem linear polarisierten Photon mit je 50 % Wahrscheinlichkeit ein links oder ein rechts zirkular polarisiertes Photon zu finden.
Photonen in einem Zustand mit wohldefiniertem Impuls bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. DieDispersionsrelation, d. h. die Abhängigkeit derKreisfrequenz eines Photons von seinerKreiswellenzahl, ist im Vakuum linear, denn es gelten die quantenmechanischen Zusammenhänge
und
sowie die Energie-Impuls-Relation
.
Befinden sich Photonen in einemHohlraum, können sie keinen Impulseigenzustand annehmen, aber z. B. stehende Wellen mit Erwartungswert Null des Impulses bilden. In solchem Fall trägt jedes Photon gemäß zur Gesamtenergie und mit zur Masse des Systems bei.
In einem optischen Medium wechselwirken Photonen mit dem Material. DurchAbsorption kann ein Photon vernichtet werden. Dabei geht seine Energie in andere Energieformen über, beispielsweise in elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wiePhononen oderExzitonen. Es ist auch möglich, dass das Photon sich durch ein Medium ausbreitet. Dabei wird es durch eine Abfolge von Streuprozessen behindert, in denen Teilchen des Mediums virtuell angeregt werden. Photon und Reaktion des Mediums zusammen können durch ein Quasiteilchen, dasPolariton, beschrieben werden. Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
In Experimenten derQuantenoptik konnte die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Licht in einem verdünnten Gas von geeignet präpariertenAtomen auf wenige Meter pro Sekunde gesenkt werden.[13]
Photonen, die auf Materie treffen, können je nach Energiebereich unterschiedliche Prozesse auslösen:
kohärente Streuung an kleinen Teilchen wie Molekülen oder Staub (Rayleigh-Streuung) – dominant bei kleinen Energien (0 bis einige eV)
Streuung an Elektronen, bei geringen Energien alsThomson-Streuung ohne Energieübertrag beschreibbar, bei hohen Energien alsCompton-Streuung – dominant im Bereich von ca. 100 keV bis einigen MeV (harte Röntgenstrahlung, nukleare Gammastrahlung)
Freisetzung von Elektronen (Photoeffekt) – bei wenigen eV (sichtbares Licht, UV) bis vielen keV (Röntgenstrahlung), dominant im Energiebereich weicher Röntgenstrahlung
Freisetzung von Nukleonen (Kernphotoeffekt) und Kernspaltung (Photospaltung) – bei sehr hohen Energien (viele MeV); Aufspaltung vonDeuterium schon ab 2,18 MeV möglich
Chandrasekhar Roychoudhuri, A.F. Kracklauer, Kathy Creath (Hrsg.):The nature of light: What is a photon? CRC, 2008,ISBN 978-1-4200-4424-9,eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
Harry Paul:Photonen: Eine Einführung in die Quantenoptik. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart 1999,ISBN 3-519-13222-2. (Teubner-Studienbücher Physik)
Klaus Hentschel:Einstein und die Lichtquantenhypothese. In:Naturwissenschaftliche Rundschau. 58(6), 2005,ISSN0028-1050, S. 311–319.
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Richard Feynman:QED. The Strange Theory of Light and Matter. 1985. (dt.QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. 1987,ISBN 3-492-21562-9)
↑1918 wurde kein Physik-Nobelpreis vergeben. Ende 1919 erhielten Johannes Stark den Physik-Nobelpreis 1919 und Max Planck denPhysik-Nobelpreis 1918.
↑DerPhysik-Nobelpreis 1921 wurde erst 1922 Albert Einstein zugesprochen, wobei die Lichtquanten als noch zu hypothetisch aus der Begründung ausgespart blieben. Zugleich erhieltNiels Bohr den Physik-Nobelpreis für 1922.
↑Albert Einstein:Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In:Annalen der Physik.Band322,Nr.6, 1905,S.133 (Online [abgerufen am 24. Januar 2012]).
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↑CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 30. Juli 2019. Wert für h in der Einheit eVs, eingesetzt in das Produkth c.
↑CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 30. Juli 2019. Wert der Lichtgeschwindigkeit, eingesetzt in das Produkth c.
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