Photon

Das Photon ist das Quant elektromagnetischer Wellen.

Die Erkenntnis, dass elektromagnetische Wellen quantisiert sind, also nur in festen Portionen erzeugt und vernichtet werden können, erklärt sowohl den Teilchencharakter als auch den Wellencharakter elektromagnetischer Wellen, beispielsweise des Lichts.

Photonen sind offensichtlich Träger von Energie und besitzen auch einen Impuls. Dies manifestiert sich bei ihrer Erzeugung und Vernichtung. Ensembles, "Ansammlungen" mehrerer Photonen, können weitere Eigenschaften und damit auch Verhaltensregeln zugeschrieben werden, etwa Entropie. Jedem Photon entspricht eine Wirkung der Größe Plancksches Wirkungsquantum.

Es gibt weder ruhende Photonen, noch können sie sich mit beliebiger Geschwindigkeit bewegen, ihre Ausbreitung erfolgt vielmehr grundsätzlich mit Vakuumlichtgeschwindigkeit. (Die Lichtgeschwindigkeit selbst ist jedoch in verschiedenen Medien unterschiedlich, da die Photonen dort mit der umliegenden Materie wechselwirken und sich das Licht als Anregungswelle der Materie und nicht als freier Photonenstrom ausbreitet.) Photonen haben keine Ruhemasse. Als Spin-»1«-Teilchen sind Photonen Bosonen. Insofern können beliebig viele Photonen den selben quantenmechanischen Zustand besetzen, etwa im Laser. Reelle Photonen besitzen ausschließlich transversale Polarisation.

Photonen tragen eine Energie

gegeben ist. Außerdem übertragen sie einen

Impuls

wobei

Die Vermittelung der elektromagnetischen Wechselwirkung wird in der Quantenelektrodynamik durch Photonenaustausch beschrieben.

Die Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung geht letztendlich auf die Erklärung der Schwarzkörperstrahlung durch Max Planck im Jahr 1900 zurück (Plancksches Strahlungsgesetz). Planck selbst stellte sich allerdings nicht die elektromagnetische Strahlung an sich quantisiert vor, sondern erklärte die Quantisierung damit, dass die Oszillatoren in den Wänden der Schwarzkörperresonatoren nur diskrete Energiemengen mit dem elektromagnetischen Feld austauschen können.

Grundlegend zur Entdeckung des Photons (das heißt des Teilchencharakters von Licht) war auch der 1887 von Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs beobachtete fotoelektrische Effekt. Albert Einstein beschrieb 1905 in seiner Publikation zum Fotoelektrischen Effekt das Licht als aus Lichtquanten mit Partikeleigenschaften bestehend. Damit griff er die bereits frühere beispielsweise von Isaac Newton vertretene Vorstellung auf, welche das Licht als Teilchenstrom aufasste. Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde erst seit 1925 beginnend mit Arbeiten von Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg entwickelt. Die bis heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung, welche auch die Lichtquanten beschreibt, die Quantenelektrodynamik, geht auf eine Arbeit von Paul Dirac im Jahr 1927 zurück, in der er die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom beschreibt. Der Begriff "Photon" wurde 1926 durch den Chemiker Gilbert Newton Lewis geprägt, der darunter aber nicht das Lichtquant verstand, sondern eher einen von ihm vorgeschlagenen Mechanismus mit dem ein Atom mit der elektromagnetischen Welle wechselwirkt.

Siehe auch

• Biophoton
• Phonon

Weblinks

• Eine Erläuterung verbreiteter Verständnisprobleme
• Lewis' letter to the editor of Nature magazine (Vol. 118, Part 2, December 18, 1926, page 874-875).