Photonen (von griechisch φῶς phōs „Licht“; Einzahl „das Photon“, Betonung auf der ersten Silbe), auch Lichtquanten oder Lichtteilchen, sind anschaulich gesagt die Energie-„Pakete“, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht.

Physikalisch wird das Photon als Austauschteilchen betrachtet. Nach der Quantenelektrodynamik gehört es als Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zu den Eichbosonen und ist somit ein Elementarteilchen. Das Photon hat keine Masse,^{[Anm. 1]} aber eine Energie und einen Impuls – die beide proportional zu seiner Frequenz sind – sowie einen 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. Jahrhunderts konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien miteinander (siehe Abschnitt Geschichte im Artikel Licht). Dann schien die Wellennatur des Lichts durch viele Phänomene (z. B. Interferenz- und Polarisationserscheinungen) bewiesen und wurde durch die 1867 aufgestellten 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 Photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs.

Die Entdeckung der Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung ging im Jahr 1900 vom planckschen Strahlungsgesetz aus, das die Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers beschreibt. Um dieses Gesetz theoretisch erklären zu können, musste Max Planck annehmen, dass die Oberfläche des schwarzen Körpers zu jeder Frequenz nur diskrete, zur Frequenz proportionale Energiemengen mit dem elektromagnetischen 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 photoelektrischen Effekt die 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“.^[1] Aufgrund verbreiteter Zweifel an diesen Ansichten wurden diese Arbeiten erst 1919^{[Anm. 2]} (Planck) und 1922^{[Anm. 3]} (Einstein) mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Vielfach wurde der Teilchencharakter der elektromagnetischen Strahlung aber weiterhin bezweifelt, bis 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-Effekts 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.^[2] Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Richard Feynman, 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:

Bezeichnung

Das Wort Photon 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 Chemikers Gilbert 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 ${\displaystyle \ \gamma }$ (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 Röntgenphotonen erhalten häufig das Symbol X (von X-Strahlen und Englisch: X-ray).

Energiegehalt

Jedes Photon transportiert eine Energie ${\displaystyle E}$:

${\displaystyle E_{\text{photon}}=h\,\nu ={\frac {hc}{\lambda }}=\hbar \,\omega \,}$

wobei ${\displaystyle \nu }$ und ${\displaystyle \lambda }$ Frequenz und Wellenlänge des Lichts sind und ${\displaystyle \omega =2\pi \,\nu }$ seine Kreisfrequenz. Die Konstanten ${\displaystyle c}$, ${\displaystyle h}$ und ${\displaystyle \hbar }$ sind Lichtgeschwindigkeit, plancksches Wirkungsquantum und reduziertes plancksches Wirkungsquantum.

Gibt man, wie in der Atom- und Teilchenphysik üblich, die Energie des Photons in Elektronenvolt (eV) an, so ergibt sich:^[6][7][8]

${\displaystyle E}$	${\displaystyle =}$	${\displaystyle \hbar \,\omega }$	${\displaystyle =}$	${\displaystyle 6{,}582\cdot \,10^{-16}\,{\rm {{eV}\cdot (\omega /\mathrm {s} ^{-1})}}}$		1 eV  ≙  ω = 1,519 · 1015 s−1
	${\displaystyle =}$	${\displaystyle h\,\nu }$	${\displaystyle =}$	${\displaystyle 4{,}136\cdot \,10^{-15}\,\mathrm {eV} \cdot (\nu /\mathrm {Hz} )}$		1 eV  ≙  ν = 241,8 THz
	${\displaystyle =}$	${\displaystyle h\,c\,/\,\lambda }$	${\displaystyle =}$	${\displaystyle 1{,}240\cdot \,10^{-6}\,\mathrm {eV} \,/\,(\lambda /\mathrm {m} )}$		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 dem Krebsnebel.^[9]

Weitere Eigenschaften

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen 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. Daraus folgt, dass es sich im Vakuum immer mit Lichtgeschwindigkeit ${\displaystyle c}$ 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 ${\displaystyle n>1}$ ist die Gruppengeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie um den Faktor ${\displaystyle n}$ verringert.

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Photonen, die auf Materie treffen, können je nach Energiebereich unterschiedliche Prozesse auslösen. Im Folgenden sind für verschiedene Prozesse die Energiebereiche angegeben, in denen sie relevant sind:

• ab 0 eV: Rayleigh-Streuung
• unter 5 eV: Anregung höherenergetischer Zustände von Elektronen, photochemische Prozesse, keine Ionisation
• 5 eV bis 100 keV: Photoeffekt,
• 50 keV bis 1 MeV: Compton-Effekt,
• 1,022 bis 6 MeV: Paarbildung (unter gewissen Bedingungen auch durch direkte Photon-Photon-Wechselwirkung möglich),^[16][17]
• ab 2,18 MeV: Kernphotoeffekt, Photodesintegration von Atomkernen

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, 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, 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 (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: Photon  – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Photon  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• HydrogenLab 3D Animationen von atomaren Übergängen: Absorption und Emission von Photonen (semiklassisch)
• QuantumLab Experimente mit einzelnen Photonen: Beweis der Existenz, Quantenzufall, Verschränkung,...
• Klaus Hentschel: Light quanta – The maturing of a concept by the stepwise accretion of meaning, in: Physics and Philosophy (an online journal, freely available since April 2007).

Zu Wechselwirkung von Photonen mit Photonen:

• Homepage des SLAC Experiment 144 (englisch)
• Jan A. Lauber: A small tutorial in gamma-gamma Physics (englisch)

Anmerkungen

1. 1 2 In älterer Literatur findet man noch eine Unterscheidung zwischen „Ruhemasse“ (oder „invarianter Masse“) m₀ und „relativistischer Masse“ m, wobei letztgenannte vom Beobachter abhängt und mit der Gesamtenergie E über die Beziehung E = mc² verknüpft ist (siehe Masse (Physik)#Ruhemasse). Danach hätte das Photon (von Licht der Frequenz ν) die Massen m₀ = 0 und m = hν/c². Dieses Konzept gilt jedoch als veraltet. Diese „Photonenmasse“ wird in populärwissenschaftlicher Literatur manchmal herangezogen, um die gravitative Ablenkung von Licht und die Existenz von schwarzen Löchern zu erklären, kann sie aber nicht korrekt beschreiben.
2. ↑ 1918 wurde kein Physik-Nobelpreis vergeben. Ende 1919 erhielten Johannes Stark den Physik-Nobelpreis 1919 und Max Planck den Physik-Nobelpreis 1918.
3. ↑ Der Physik-Nobelpreis 1921 wurde erst 1922 Albert Einstein zugesprochen, wobei die Lichtquantenhypothese noch aus der Begründung ausgespart blieb. Zugleich erhielt Niels Bohr den Physik-Nobelpreis für 1922.

Einzelnachweise

1. ↑ Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 133 (Online [abgerufen am 24. Januar 2012]). 
2. ↑ Paul Dirac: The Quantum Theory of Emission and Absorption of Radiation. In: Proc. Roy. Soc. A114, 1927. (online).
3. ↑ zitiert nach Paul. Harry Paul: Photonen: Experimente und ihre Deutung. Akademie-Verlag, Berlin 1985, ISBN 3-528-06868-X, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
4. 1 2 Helge Kragh: Photon: New light on an old name. arXiv, 28. Februar 2014.
5. ↑ Gilbert N. Lewis: The Conservation of Photons. In: Nature. Band 118, 1926, S. 874–875. doi:10.1038/118874a0 (online).
6. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 30. Juli 2019.  Wert für ${\displaystyle \hbar }$ in der Einheit eVs.
7. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 30. Juli 2019.  Wert für h in der Einheit eVs, eingesetzt in das Produkt h c.
8. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 30. Juli 2019.  Wert der Lichtgeschwindigkeit, eingesetzt in das Produkt h c.
9. ↑ Amemori u. a.: First detection of photons with energy beyond 100 TeV from an astrophysical source, Phys. Rev. Lett., 13. Juni 2019.
10. 1 2 Alfred Scharff Goldhaber, Martin Nieto: Photon and graviton mass limits. In: Rev. Mod. Phys. Band 82, 2010, S. 939, doi:10.1103/RevModPhys.82.939. 
11. 1 2 P. A. Zyla et al. (Particle Data Group): 2020 Review of Particle Physics. In: Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2020). Abgerufen am 24. März 2022 (englisch). 
12. ↑ Alfred S. Goldhaber, Michael Nieto: New Geomagnetic Limit on the Mass of the Photon. In: Physical Review Letters. Band 21, 1968, S. 567, doi:10.1103/PhysRevLett.21.567 (online [PDF; abgerufen am 6. März 2020]). 
13. ↑ What is the mass of a photon? Abgerufen am 10. August 2011.
14. ↑ Siehe z. B. pro-physik.de über Spin-Hall-Effekt jetzt auch mit Photonen
15. ↑ https://www.nature.com/articles/17561 L. Vestergaard Hau, S. E. Harris, Z. Dutton, C. H. Behroozi: Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas, in Nature Jg. 397(1999), S. 594–598.
16. ↑ SLAC Experiment 144 Home Page
17. ↑ Zeit-Artikel zum SLAC Experiment