Photon

Photonen können auf vielerlei Arten erzeugt werden, insbesondere durch Übergänge („Quantensprünge“) von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen (z. B. verschiedenen Atom- oder Molekülorbitalen oder Energiebändern in einem Festkörper). Photonen können auch bei nuklearen Übergängen, Teilchen-Antiteilchen-Vernichtungsreaktionen (Annihilation) oder durch beliebige Fluktuationen in einem elektromagnetischen Feld erzeugt werden.

Zum Nachweis von Photonen können unter anderem Photomultiplier, Photoleiter oder Photodioden verwendet werden. CCDs, Vidicons, PSDs, Quadrantendioden oder Foto-Platten und Filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. Im IR-Bereich werden auch Bolometer eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durch Geigerzähler einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier und Avalanche-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 der Masse ${\displaystyle m=0}$. Neben experimentellen Messungen, die diese Tatsache sehr gut belegen, ist dies auch theoretisch gut begründet.

Im Rahmen der Quantenelektrodynamik sind die Photonen die Übermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung; die Bewegungsgleichung der Photonen muss demnach den klassischen Maxwell-Gleichungen

${\displaystyle \partial _{\mu }F^{\mu \nu }=0}$

gehorchen (in diesem Abschnitt sei nur das Verhalten im Vakuum betrachtet). Die Lagrange-Dichte, die über den Lagrange-Formalismus zu den Maxwell-Gleichungen führt, lautet

${\displaystyle {\mathcal {L}}=-{\frac {1}{4}}F^{\mu \nu }F_{\mu \nu }}$

ohne einen Masseterm des Photons der Gestalt ${\displaystyle A_{\mu }m_{\gamma }^{2}A^{\mu }}$. Ein solcher Term ist verboten, da er die Invarianz der Lagrange-Dichte unter den klassischen Eichtransformationen des elektromagnetischen Feldes verletzt. Auch in höheren Ordnungen quantenelektrodynamischer Störungstheorie bleibt die Masse des Photons durch die Eichsymmetrie geschützt.

Das Photon erhält auch keine Masse durch Higgs-Mechanismus infolge einer spontanen Symmetriebrechung, da das Photon im Standardmodell das Eichboson der übrig gebliebenen Symmetrie nach der Symmetriebrechung ist; entsprechend trägt das Higgs-Boson auch keine elektrische Ladung und wechselwirkt nicht mit dem Photon.

Bisweilen wird argumentiert, aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie ${\displaystyle E=mc^{2}}$ müsse das Photon eine Masse haben, die ${\displaystyle E=h\nu }$ entspricht. Dies wäre das als veraltet geltende Konzept der „relativistischen Masse“, deren Wert vom Beobachter abhängt. Dieses Konzept schlägt beim Photon fehl, weil Photonen sich für jeden Beobachter mit derselben Geschwindigkeit bewegen und die „relativistische Masse“ immer proportional zur „Ruhemasse“ ist, die beim Photon nicht definiert werden kann, da kein Photon in Ruhe existiert. Auch der Versuch, die gravitative Ablenkung von Licht im Sinne der Newton’schen Physik als Anziehungskraft auf einen Massenpunkt mit der Geschwindigkeit ${\displaystyle c}$ zu beschreiben, führt zu falschen Ergebnissen.

Unabhängig davon ändert sich die innere Energie und damit die Masse eines physikalischen Systems, wenn es Photonen absorbiert oder emittiert.

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 ${\displaystyle 10^{-18}\,\mathrm {eV} \!/\!c^{2}}$ liegen muss, das ist der ${\displaystyle 10^{27}}$ste Teil der Masse des Wasserstoffatoms.

Falls Photonen Masse hätten,

• dann würde sich für das elektrostatische Feld einer Punktladung statt des 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 ${\displaystyle 1{,}5\cdot 10^{-9}\,\mathrm {eV\!/c^{2}} }$ 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 ${\displaystyle 2{,}3\cdot 10^{-15}\,\mathrm {eV\!/c^{2}} }$ liegen kann.[11]
• 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.[9][12] Solche Abweichungen konnten bislang nicht nachgewiesen werden, woraus sich die momentan (Stand: 2023) niedrigste modellunabhängige experimentelle Obergrenze von ${\displaystyle 10^{-18}\,\mathrm {eV} \!/\!c^{2}}$ für eine eventuelle Photonenmasse ergibt.[10]
• 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.

Photonen werden auch vom Gravitationsfeld beeinflusst. Dies lässt sich nicht klassisch als Massenanziehung erklären, denn Photonen haben keine Masse. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie aber folgen Photonen, wie alle nicht von anderen Kräften beeinflussten Körper auch, einer Geodäte der gekrümmten Raumzeit. Die Ablenkung im Schwerefeld ist dabei doppelt so groß wie es nach der klassischen Physik für ein mit Lichtgeschwindigkeit bewegtes, massebehaftetes Teilchen zu erwarten wäre (siehe auch Tests der allgemeinen Relativitätstheorie).

Photonen gehören selbst zu den Quellen der Gravitation, indem sie mit ihrer Energiedichte die Krümmung der Raumzeit beeinflussen (siehe Energie-Impuls-Tensor in der allgemeinen Relativitätstheorie).

Zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen mit Energie ${\displaystyle E}$ und Kreisfrequenz ${\displaystyle \omega }$ haben nach den Maxwell-Gleichungen einen Drehimpuls der Größe ${\displaystyle E/\omega }$, pro Photon mit ${\displaystyle E=\hbar \omega }$ also genau den Drehimpulsbetrag von ${\displaystyle \hbar }$. Photonen sind also Spin-1-Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird.

Während etwa der Elektronenspin parallel oder antiparallel zu einer beliebig vorgegebenen Richtung ist,[13] 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 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 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.

Das Photon ist elektrisch neutral. Experimentelle Befunde setzen eine obere Schranke von ${\displaystyle 10^{-35}}$ Elementarladungen.[10]

Photonen in einem Zustand mit wohldefiniertem Impuls bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit ${\displaystyle c=299\,792\,458\;\mathrm {m/s} }$. Die Dispersionsrelation, d. h. die Abhängigkeit der Kreisfrequenz ${\displaystyle \omega }$ eines Photons von seiner Kreiswellenzahl ${\displaystyle k}$, ist im Vakuum linear, denn es gelten die quantenmechanischen Zusammenhänge

${\displaystyle E=h\nu =\hbar \omega }$

und

${\displaystyle p=\hbar k}$

sowie die Energie-Impuls-Relation

${\displaystyle E=pc}$.

Befinden sich Photonen in einem Hohlraum im Vakuum, können sie keinen Impulseigenzustand annehmen, aber z. B. stehende Wellen mit Erwartungswert Null des Impulses bilden. In solchem Fall trägt jedes Photon gemäß ${\displaystyle E=h\nu =\hbar \omega }$ zur Gesamtenergie und mit ${\displaystyle E/c^{2}}$ zur Masse des Systems bei.

In einem optischen Medium wechselwirken Photonen mit dem Material. Durch Absorption kann ein Photon vernichtet werden. Dabei geht seine Energie in andere Energieformen über, beispielsweise in elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wie Phononen oder Exzitonen. Möglich ist auch, 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 kann man durch ein Quasiteilchen, das Polariton, beschreiben. 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 Atomen auf wenige Meter pro Sekunde gesenkt werden.[14]