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{{Dieser Artikel|behandelt das Teilchen. Für weitere Bedeutungen siehe [[Photon (Begriffsklärung)]].}}
{{Infobox Teilchen
|name = Photon (γ)
|klassifikation= [[Elementarteilchen]] [[Boson]] [[Eichboson]]
|wechselwirkung= [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetisch]]
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}}
'''Photonen''' (von [[Altgriechische Sprache|altgriechisch]] φῶς ''phōs'' „[[Licht]]“; Einzahl „das Photon“), auch '''Fotonen''', auch '''Lichtquanten''' oder '''Lichtteilchen''', sind anschaulich gesagt die Energie-„Pakete“, aus denen [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetische Strahlung]] besteht.

Physikalisch wird das Photon als [[Austauschteilchen]] betrachtet. Nach der [[Quantenelektrodynamik]] gehört es als Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zu den [[Eichboson]]en und ist somit ein [[Elementarteilchen]]. Das Photon hat keine [[Masse (Physik)|Masse]], aber eine [[Energie]] und einen [[Impuls]] – die beide proportional zu seiner [[Frequenz]] sind – sowie einen [[#Spin|Drehimpuls]]. Ist sein Aufenthalt auf ein System mit endlichem Volumen beschränkt, liefert es proportional zu seiner Energie einen Beitrag zur Masse des Systems.

== Forschungsgeschichte ==
Seit der Antike gab es verschiedene, einander teilweise widersprechende Vorstellungen von der Natur des Lichts. Bis Anfang des [[19. Jahrhundert]]s konkurrierten [[Wellenoptik|Wellen]]- und [[Korpuskeltheorie|Teilchentheorien]] miteinander ''(siehe Abschnitt [[Licht#Geschichte|Geschichte]] im Artikel [[Licht]]).'' Dann schien die Wellennatur des Lichts durch viele Phänomene (z. B. [[Interferenz (Physik)|Interferenz]]- und [[Polarisation]]serscheinungen) bewiesen und wurde durch die 1867 aufgestellten [[Maxwell-Gleichungen|Maxwellschen Gleichungen]] als elektromagnetische Welle verstanden. Daneben gab es auch Indizien für einen Teilchencharakter. Ein historisch wichtiges Experiment hierzu war im Jahre 1887 die Beobachtung des [[Photoelektrischer Effekt|Photoelektrischen Effekts]] durch [[Heinrich Hertz]] und [[Wilhelm Hallwachs (Physiker)|Wilhelm Hallwachs]].

Die Entdeckung der Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung ging im Jahr 1900 vom [[Plancksches Strahlungsgesetz|planckschen Strahlungsgesetz]] aus, das die [[Wärmestrahlung]] eines [[Schwarzer Körper|schwarzen Körpers]] beschreibt. Um dieses Gesetz theoretisch erklären zu können, musste [[Max Planck]] annehmen, dass die Oberfläche des schwarzen Körpers zu jeder Frequenz nur [[Quantelung|diskrete]], zur Frequenz proportionale Energiemengen mit dem elektromagnetischen [[Feld (Physik)|Feld]] 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 zum [[Photoelektrischer Effekt|photoelektrischen Effekt]] die [[Quantenhypothese|Lichtquantenhypothese]] 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“.<ref>{{Literatur |Autor=Albert Einstein |Titel=Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt |Sammelwerk=Annalen der Physik |Band=322 |Nummer=6 |Datum=1905 |Seiten=133 |Online=[https://einstein-annalen.mpiwg-berlin.mpg.de/annalen/alphabetical/HUN315QN Online] |Abruf=2012-01-24}}</ref> Aufgrund verbreiteter Zweifel an diesen Ansichten wurden diese Arbeiten erst 1919<ref group="Anm.">1918 wurde kein Physik-Nobelpreis vergeben. Ende 1919 erhielten Johannes Stark den Physik-Nobelpreis 1919 und Max Planck den [https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1918/ Physik-Nobelpreis 1918].</ref> (Planck) und 1922<ref group="Anm.">Der [https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1921/ Physik-Nobelpreis 1921] wurde erst 1922 Albert Einstein zugesprochen, wobei die Lichtquanten als noch zu hypothetisch aus der Begründung ausgespart blieben. Zugleich erhielt [[Niels Bohr]] den Physik-Nobelpreis für 1922.</ref> (Einstein) mit dem [[Nobelpreis]] ausgezeichnet.

Vielfach wurde der Teilchencharakter der elektromagnetischen Strahlung aber weiterhin bezweifelt, bis [[Arthur Holly Compton|Arthur Compton]] und [[Walter 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 und [[Interpretation]] des nach ihm benannten [[Compton-Effekt]]s erhielt Compton 1927 (als einer von zwei Ausgezeichneten) den Nobelpreis für Physik.

Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde seit 1925 beginnend mit Arbeiten von [[Max Born]], [[Pascual Jordan]] und [[Werner Heisenberg]] entwickelt. Die heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung ist die [[Quantenelektrodynamik]] (QED); sie beschreibt auch die Lichtquanten. Sie geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit von [[Paul Dirac]] im Jahre 1927 zurück, in der die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom analysiert wird.<ref>Paul Dirac: ''The Quantum Theory of Emission and Absorption of Radiation.'' In: ''Proc. Roy. Soc.'' A114, 1927. [http://hermes.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Dirac_QED_1927.pdf (online)].</ref> Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des [[Nobelpreis für Physik|Nobelpreises für Physik]] an [[Richard Feynman]], [[Julian Seymour Schwinger|Julian Schwinger]] und [[Shin’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 Freund [[Michele Besso]]:

{{Zitat
|Text=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 …
|ref=<ref>zitiert nach Paul. [[Harry Paul (Physiker)|Harry Paul]]: ''Photonen: Experimente und ihre Deutung.'' Akademie-Verlag, Berlin 1985, ISBN 3-528-06868-X, {{Google Buch |BuchID=_eiEBwAAQBAJ |Seite=7}}.</ref>}}

== Bezeichnung ==
Das Wort ''Photon'' leitet sich vom griechischen Wort für Licht, ''{{lang|grc|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.<ref name="Kragh" /> Max Planck z. B. sprach in seiner Nobelpreisrede 1920 noch von „Lichtquanten“.
Endgültig wurde der Name durch Arthur Compton bekannt gemacht,<ref name="Kragh">[[Helge Kragh]]: [https://arxiv.org/abs/1401.0293 ''Photon: New light on an old name'']. arXiv, 28. Februar 2014.</ref> der sich dabei auf eine Veröffentlichung des Chemikers [[Gilbert Newton Lewis]] im Jahre 1926<ref>Gilbert N. Lewis: ''The Conservation of Photons.'' In: ''Nature.'' Band 118, 1926, S. 874–875. [[doi:10.1038/118874a0]] ([http://www.nobeliefs.com/photon.htm online]).</ref> 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 <math>\ \gamma</math> ([[gamma]]) verwendet. In der [[Hochenergiephysik]] ist dieses Symbol allerdings reserviert für die hochenergetischen Photonen der [[Gammastrahlung]] (Gamma-Quanten), und die in diesem Zweig der Physik ebenfalls relevanten [[Röntgenstrahlung|Röntgen]]<nowiki />photonen erhalten häufig das Symbol ''X'' (von ''X-Strahlen'' und Englisch: ''X-ray'').

== Energiegehalt ==
Jedes Photon transportiert eine Energie <math>E</math>:
: <math>E_\text{photon} = h \cdot \nu=\frac{h\cdot c}{\lambda} \,,</math>
wobei <math>\nu</math> und <math>\lambda</math> [[Frequenz]] und [[Wellenlänge]] des Lichts sind. Die Konstanten <math>c</math> und <math>h</math> sind die [[Lichtgeschwindigkeit]] und die [[Planck-Konstante]].

Gibt man, wie in der Atom- und Teilchenphysik üblich, die Energie des Photons in [[Elektronenvolt]] (eV) an, so ergibt sich:<ref>{{Internetquelle |url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?hev |titel=CODATA Recommended Values |hrsg=National Institute of Standards and Technology |abruf=2019-07-30}} Wert für h in der Einheit eVs, eingesetzt in das Produkt ''h c.''</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?c |titel=CODATA Recommended Values |hrsg=National Institute of Standards and Technology |abruf=2019-07-30}} Wert der Lichtgeschwindigkeit, eingesetzt in das Produkt ''h c''.</ref>

:{|
|-
| <math>E</math>||<math>=</math>||<math>h\,\nu </math>||<math>=</math>||<math>4{,}136\cdot\,10^{-15}\,\mathrm{eV}\cdot(\nu/\mathrm{Hz})</math>||    || 1 eV  ≙  <math>\nu </math> = 241,8 THz
|-
|   ||<math>=</math>||<math>h\,c\,/\,\lambda </math>||<math>=</math>||<math>1{,}240\cdot\,10^{-6}\,\mathrm{eV}\,/\,(\lambda/\mathrm{m})</math>||   || 1 eV  ≙  <math>\lambda </math> = 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 dem [[Krebsnebel]].<ref>[https://journals.aps.org/prl/accepted/bc074YafQ241106c876588830ab038fcada76d198 Amemori u. a.: First detection of photons with energy beyond 100 TeV from an astrophysical source], Phys. Rev. Lett., 13. Juni 2019.</ref>

== Weitere Eigenschaften ==
Jegliche elektromagnetische Strahlung, von [[Radiowelle]]n bis zur [[Gammastrahlung]], ist in Photonen [[Quantelung|gequantelt]]. 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 keine [[Masse (Physik)|Masse]]. Daraus folgt, dass es sich im Vakuum immer mit [[Lichtgeschwindigkeit]] <math>c</math> bewegt, sofern es in einem Zustand mit wohldefiniertem Impuls ist, also durch eine einzige [[ebene Welle]] darzustellen ist. Sonst bewegt es sich mit der [[Gruppengeschwindigkeit]] der beteiligten ebenen Wellen. Ein Photon im Überlagerungszustand von Impulsen mehrerer Richtungen bewegt sich auch im Vakuum langsamer als die Lichtgeschwindigkeit ''(siehe [[Bessel-Strahl]]).'' In optischen Medien mit einem [[Brechungsindex]] <math>n>1</math> ist die Gruppengeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie um den Faktor <math>n</math> verringert.

=== Erzeugung und Detektion ===
Photonen können auf vielerlei Arten erzeugt werden, insbesondere durch [[Elektronischer Übergang|Übergänge]] („Quantensprünge“) von [[Elektron]]en zwischen verschiedenen Zuständen (z. B. verschiedenen [[Atomorbital|Atom]]- oder [[Molekülorbitaltheorie|Molekülorbitalen]] oder [[Bändermodell|Energiebändern]] in einem [[Festkörper]]). Photonen können auch bei [[Atomkern|nuklearen]] Übergängen, Teilchen-[[Antiteilchen]]-Vernichtungsreaktionen ([[Annihilation]]) oder durch beliebige [[Fluktuation]]en in einem elektromagnetischen Feld erzeugt werden.

Zum Nachweis von Photonen können unter anderem [[Photomultiplier]], [[Fotowiderstand|Photoleiter]] oder [[Photodiode]]n verwendet werden. [[CCD-Sensor|CCDs]], [[Vidicon]]s, [[Position Sensitive Device|PSDs]], [[Quadrantendiode]]n oder Foto-Platten und Filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. Im [[Infrarotstrahlung|IR]]-Bereich werden auch [[Bolometer]] eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durch [[Zählrohr|Geigerzähler]] einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier und [[Avalanche-Photodiode]]n 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.

=== Masse und Gravitation ===
Das Photon ist ein Elementarteilchen mit der [[Masse (Physik)|Masse]] <math>m=0</math>. Neben experimentellen Messungen, die diese Tatsache sehr gut belegen, ist dies auch theoretisch gut begründet.

==== Theoretische Formulierung ====
;Relativistische Kinematik

Das Photon ist das [[Quant]] des elektromagnetischen Feldes und verhält sich deshalb nach den Bewegungsgleichungen dieses Feldes, also den [[Maxwell-Gleichungen]] der klassischen Physik. Da die elektromagnetische Energieflussdichte bis auf den Faktor <math>c</math> (Lichtgeschwindigkeit) mit der Impulsflussdichte übereinstimmt (siehe [[Poynting-Vektor]]), gilt für jede elektromagnetisch transportierte Energie <math>E</math> und ihren Impuls <math>p</math> die Gleichung
:<math>E=p c</math>
Zudem gilt nach der speziellen Relativitätstheorie allgemein für jede Art von Teilchen und Systemen die [[Energie-Impuls-Relation]]
:<math>E^2=p^2 c^2 + m^2 c^4</math>
Daraus folgt <math>m=0</math>.

;Quantenfeldtheoretische Beschreibung

Allgemein erhält man in einer [[Feldtheorie (Physik)#Die Bewegungsgleichung für Felder|Feldtheorie]] die Feldgleichungen für die Feldgrößen <math>A</math> aus einem theoretischen Ansatz für die [[Lagrange-Dichte]] <math> \mathcal L</math>. In [[Maxwell-Gleichungen#Kovariante_Formulierung_der_Maxwell-Gleichungen|4-dimensionaler Schreibweise lauten die Maxwell-Gleichungen]] im Vakuum für den aus dem [[Elektrisches Potential|elektrischen Potential]] <math>\phi</math> und dem [[Magnetisches Vektorpotential|magnetischen Vektorpotential]] <math>\vec A</math> gebildeten [[Elektromagnetischer_Feldstärketensor|elektromagnetischen Feldstärketensor]] <math>F^{\mu \nu} =\partial_\mu A_\nu - \partial_\nu A_\mu</math>
:<math> \partial_\mu F^{\mu \nu}= 0 </math>,
wobei <math>A^\mu = \left(\phi/c, \vec A\right)</math> ist. Sie ergeben sich aus dem Ansatz
:<math> \mathcal L = - \frac{1}{4} F^{\mu \nu} F_{\mu \nu} </math>.
Dagegen würde ein Feld mit Teilchen der Masse <math>m</math> einen zusätzlichen Term <math> A_\mu m^2 A^\mu </math> erfordern.
Wenn man einen solchen Term einfügen würde, verletzte man zwangsläufig die unverzichtbare Invarianz der Lagrange-Dichte unter den klassischen [[Elektrodynamik#Potentiale und Wellengleichung|Eichtransformationen des elektromagnetischen Feldes]]. Anders als die meisten Elementarteilchen erhält das Photon auch keine Masse durch den [[Higgs-Mechanismus]] infolge einer [[Spontane Symmetriebrechung|spontanen Symmetriebrechung]]. Denn das Photon ist im [[Standardmodell]] das Eichboson derjenigen Symmetrie, die ''nach'' der Symmetriebrechung übrig bleibt; entsprechend trägt das [[Higgs-Boson]] auch keine elektrische Ladung und wechselwirkt nicht mit dem Photon.

;Beschreibung mithilfe einer „relativistischen Masse“

Bisweilen wird argumentiert, man könne aufgrund der [[Äquivalenz von Masse und Energie]] dem Photon eine Masse <math>m^*=E/c^2</math> zuschreiben. Dies entspräche dem allgemeinen Konzept einer „[[Relativistische Masse|relativistischen Masse]]“ <math>m^*</math> bewegter Körper im Unterschied zu ihrer „Ruhemasse“ <math>m_0</math>. Dieses Konzept gilt mittlerweile als überholt, weil man es vorzieht, den Begriff „Masse“ für eine intrinsische Eigenschaft des Teilchens zu reservieren, die unabhängig von der Bewegung des Beobachter ist. Bei Anwendung des Begriffs auf das Photon wären zwei Unterschiede zu beachten: <math>m^*</math> hängt dann nicht von der Geschwindigkeit ab, weil diese für jeden Beobachter gleich <math>c</math> ist, wohl aber von dessen Bewegungszustand ([[Doppler-Effekt]]), und <math>m^*</math> ist dann nicht zur „Ruhemasse“ <math>m_0</math> proportional, weil diese Null ist.

;Photonen und Gravitation

Photonen haben zwar keine Masse, übertragen aber Energie. Daher nimmt die Masse eines Systems um <math>\Delta m =E/c^2</math> ab bzw. zu, wenn es ein Photon der Energie <math>E</math> emittiert oder absorbiert. [[Trägheit]] und [[Gravitation]]swirkung des Systems ändern sich entsprechend. Das gilt auch, wenn das System ein Hohlraum ist, in dem ein Photon in Gestalt einer stehenden Welle (mit dem ''Erwartungswert'' des Impulses <math> \langle p \rangle =0</math>) enthalten sein kann.
Photonen gehören also selbst zu den Quellen der Gravitation, indem sie mit ihrer Energiedichte die Krümmung der Raumzeit beeinflussen (siehe [[Energie-Impuls-Tensor#Der Energie-Impuls-Tensor in der allgemeinen Relativitätstheorie|Energie-Impuls-Tensor in der allgemeinen Relativitätstheorie]]).

Photonen werden auch durch Gravitation beeinflusst. So ändert sich die Energie <math>E= h \nu </math> 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 <math>m=E/c^2</math>.
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 die [[gravitative Rotverschiebung]] die Frequenz <math>\nu </math>, 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 auch ''[[Tests der allgemeinen Relativitätstheorie#Ablenkung des Lichts durch die Sonne|Tests der allgemeinen Relativitätstheorie]]'').

==== Experimentelle Befunde ====
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 <math>10^{-18}\,\mathrm{eV} \! / \!c^2</math> liegen muss, das ist der <math>10^{27}</math>ste Teil der Masse des Wasserstoffatoms.

Falls Photonen Masse hätten,
* dann würde sich für das elektrostatische Feld einer Punktladung statt des [[Coulombsches Gesetz|Coulomb-Potentials]] ein [[Yukawa-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 <math>1{,}5\cdot 10^{-9}\,\mathrm{eV\!/c^2}</math> sein kann.<ref name="GoldhaberNieto RMP 2010">{{Literatur |Autor=Alfred Scharff Goldhaber, Martin Nieto |Titel=Photon and graviton mass limits |Sammelwerk=Rev. Mod. Phys. |Band=82 |Datum=2010 |Seiten=939 |DOI=10.1103/RevModPhys.82.939}}</ref><ref name="PDG2023" />
* 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 <math>2{,}3\cdot 10^{-15}\,\mathrm{eV\!/c^2}</math> liegen kann.<ref>{{Literatur |Autor=Alfred S. Goldhaber, Michael Nieto |Titel=New Geomagnetic Limit on the Mass of the Photon |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=21 |Datum=1968 |Seiten=567 |Online=[https://link.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.21.567?casa_token=EHZE4eWLSv0AAAAA:uj0n5bchC_ag8tnyeEJ_ar5-h-AYXR9EZYS5Vkh1_gavpI9EhOhe6EFhVBXceoNrK-txct3illdD online] |Abruf=2020-03-06 |DOI=10.1103/PhysRevLett.21.567}}</ref>
* dann würden sich für das Magnetfeld eines rotierenden Dipols Änderungen ergeben, die sich im Fall der Sonne am [[Sonnenwind]] bis zum Abstand des [[Pluto]] auswirken würden.<ref name="GoldhaberNieto RMP 2010" /> Solche Abweichungen konnten bislang nicht nachgewiesen werden, woraus sich die momentan (Stand: 2023) niedrigste modellunabhängige experimentelle Obergrenze von <math>10^{-18}\,\mathrm{eV} \! / \!c^2</math> für eine eventuelle Photonenmasse ergibt.<ref name="PDG2023" />
* dann wäre die Konstante ''c,'' 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 (Physik)|Dispersion]]). Die Beziehung <math>E=h\cdot\nu</math> würde nicht mehr exakt gelten.

=== Spin ===
[[Polarisation#Polarisation elektromagnetischer Wellen|Zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen]] mit Energie <math>E</math> und Kreisfrequenz <math>\omega</math> haben nach den [[Maxwell-Gleichungen]] einen Drehimpuls der Größe <math>E/\omega</math>, pro Photon mit <math>E=\hbar \omega</math> genau den Drehimpuls <math>\hbar</math>.
Photonen sind demnach [[Spin]]-1-Teilchen und somit [[Boson]]en. Es können also beliebig viele Photonen denselben [[Quantenmechanik|quantenmechanischen]] Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem [[Laser]] realisiert wird.

Während etwa der Elektronenspin parallel oder antiparallel zu einer ''beliebig'' vorgegebenen Richtung ist,<ref>Siehe z. B. {{Webarchiv|url=http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=10053 |wayback=20090212001945 |text=pro-physik.de }} über ''Spin-Hall-Effekt jetzt auch mit Photonen''</ref> kann der Photonenspin wegen fehlender Masse nur parallel oder antiparallel zur ''Flugrichtung,'' also zu seinem Impuls, orientiert sein. Die [[Helizität]] 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 eine [[Verzögerungsplatte|λ/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 Zustände [[Superposition (Physik)|überlagert]] werden. Der [[Erwartungswert]] 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.

=== Ladung ===
Das Photon ist elektrisch neutral. Experimentelle Befunde setzen eine obere Schranke von <math>10^{-35}</math> [[Elementarladung]]en.<ref name="PDG2023"/>

=== Photonen im Vakuum ===
Photonen in einem Zustand mit wohldefiniertem Impuls bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit <math>c = 299\,792\,458 \; \mathrm{m/s}</math>. Die [[Dispersionsrelation]], d. h. die Abhängigkeit der [[Kreisfrequenz]] <math>\omega</math> eines Photons von seiner [[Wellenvektor|Kreiswellenzahl]] <math>k</math>, ist im Vakuum linear, denn es gelten die quantenmechanischen Zusammenhänge
:<math>E = h\nu =\hbar \omega</math>
und
:<math>p = \hbar k</math>
sowie die Energie-Impuls-Relation
:<math>E = pc</math>.

Befinden sich Photonen in einem [[Hohlraumstrahlung|Hohlraum]], können sie keinen Impulseigenzustand annehmen, aber z. B. stehende Wellen mit Erwartungswert Null des Impulses bilden. In solchem Fall trägt jedes Photon gemäß <math>E = h\nu =\hbar \omega</math> zur Gesamtenergie und mit <math>E/c^2</math> zur Masse des Systems bei.

=== Photonen in optischen Medien ===
In einem optischen Medium wechselwirken Photonen mit dem Material. Durch [[Absorption (Physik)|Absorption]] kann ein Photon vernichtet werden. Dabei geht seine Energie in andere Energieformen über, beispielsweise in elementare Anregungen ([[Quasiteilchen]]) des Mediums wie [[Phonon]]en oder [[Exziton]]en. 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, das [[Polariton]], beschrieben werden. Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

In Experimenten der [[Quantenoptik]] konnte die Geschwindigkeit der Ausbreitung von Licht in einem verdünnten Gas von geeignet präparierten [[Atom]]en auf wenige Meter pro Sekunde gesenkt werden.<ref>{{Literatur |Autor=L. Vestergaard Hau, S. E. Harris, Z. Dutton, C. H. Behroozi |Titel=Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas |Sammelwerk=[[Nature]] |Band=397 |Datum=1999 |Seiten=594–598 |DOI=10.1038/17561}}</ref>

== Wechselwirkung von Photonen mit Materie ==
[[Datei:Attenuation Coefficient Iron.svg|mini|400px|[[Massenschwächungskoeffizient]] von Eisen für hochenergetische Photonen (schwarze Kurve) mit Beiträgen verschiedener Effekte. Bei Röntgenstrahlung dominiert der [[Photoeffekt]] (rot), [[Rayleigh-Streuung]] (blau) spielt fast keine Rolle. Im Bereich nuklearer [[Gammastrahlung]] dominiert [[Compton-Effekt|Compton-Streuung]] (grün), und bei höheren Energien wird [[Paarbildung (Physik)|Paarbildung]] (türkis) immer relevanter. Deutlich sichtbar ist die [[Absorptionskante|Absorptionskante]] bei der Bindungsenergie der [[K-Schale|K-Elektronen]] (7,11 keV).]]

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 als [[Thomson-Streuung]] ohne Energieübertrag beschreibbar, bei hohen Energien als [[Compton-Effekt|Compton-Streuung]] – dominant im Bereich von ca. 100 keV bis einigen MeV (harte Röntgenstrahlung, nukleare Gammastrahlung)
* [[Angeregter Zustand|Anregung]] höherenergetischer Zustände in Atomen, [[Photochemie|photochemische Prozesse]] – bei wenigen eV
* Freisetzung von Elektronen ([[Photoelektrischer Effekt|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 von [[Deuterium]] schon ab 2,18 MeV möglich
* [[Paarbildung (Physik)|Bildung von Elektron-Positron-Paaren]] – dominant ab einigen MeV
{{Siehe auch|Streuung (Physik)#Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie|titel1=Abschnitt „Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie“ in „Streuung (Physik)“}}

== Literatur ==
* Chandrasekhar Roychoudhuri, A.F. Kracklauer, Kathy Creath (Hrsg.): ''The nature of light: What is a photon?'' CRC, 2008, ISBN 978-1-4200-4424-9, {{Google Buch |BuchID=Z6hWmaHZFigC}}.
* [[Harry Paul (Physiker)|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, {{ISSN|0028-1050}}, S. 311–319.
* [[Klaus Hentschel]]: ''Lichtquanten. Die Geschichte des komplexen Konzepts und mentalen Modells von Photonen.'' Springer, Heidelberg, 2017, ISBN 978-3-662-55272-8 ([https://www.springer.com/de/book/9783662552728 Online])
* Liang-Cheng Tu, Jun Luo, George T. Gillies: ''The mass of the photon.'' In: ''Reports on Progress in Physics.'' 68, Nr. 1, 2005, [[doi:10.1088/0034-4885/68/1/R02]], S. 77–130.
* [[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)

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat}}

== Anmerkungen ==
<references group="Anm." />

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="PDG2023">{{Literatur |Autor=R. L. Workman ''et al.'' ([[Particle Data Group]]) |Titel=Review of Particle Physics |Sammelwerk=Prog. Theor. Exp. Phys. |Datum=2022 |Seiten=083C01 |Kommentar=und 2023 update |Online=https://pdg.lbl.gov/2023/listings/rpp2023-list-photon.pdf}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Elementarteilchen]]
[[Kategorie:Quantenfeldtheorie]]
[[Kategorie:Quantenoptik]]
[[Kategorie:Boson]]

Photon - Versionsgeschichte

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