Photon

Grundidee und Einordnung

Photonen, auch Lichtquanten oder Lichtteilchen genannt, sind die kleinsten Energiepakete elektromagnetischer Strahlung. Dazu gehören zum Beispiel Radiowellen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Physikalisch ist ein Photon ein Elementarteilchen und nach der Quantenelektrodynamik das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Es gehört zu den Eichbosonen.

Ein Photon ist elektrisch neutral, masselos und hat Spin 1. Es besitzt aber Energie, Impuls und Drehimpuls. Energie und Impuls sind proportional zu seiner Frequenz. Wenn ein Photon in einem System mit endlichem Volumen eingeschlossen ist, trägt es entsprechend seiner Energie zur Masse dieses Systems bei, obwohl seine eigene Ruhemasse null ist.

Als Symbol wird meist γ (Gamma) verwendet. In der Hochenergiephysik ist γ oft für Photonen der Gammastrahlung reserviert; Röntgenphotonen werden dort häufig mit X bezeichnet.

Energie, Impuls und Masse

Elektromagnetische Strahlung ist in Photonen gequantelt. Das bedeutet: Bei einer bestimmten Frequenz ist die kleinstmögliche Energiemenge ein einzelnes Photon. Die Energie eines Photons ist

E_photon = h · ν = h · c / λ.

Dabei ist ν die Frequenz, λ die Wellenlänge, c die Lichtgeschwindigkeit und h die Planck-Konstante. In Elektronenvolt gilt:

E = hν = 4,136 · 10^-15 eV · (ν/Hz)

und

E = hc/λ = 1,240 · 10^-6 eV / (λ/m).

1 eV entspricht einer Frequenz von 241,8 THz oder einer Wellenlänge von 1,240 μm. Rotes Licht mit 620 nm Wellenlänge hat eine Photonenenergie von etwa 2 eV. Das bisher energiereichste gemeldete Photon hatte mehr als 100 TeV; es wurde 2019 von chinesischen Wissenschaftlern aus einem Detektorfeld in Tibet vermeldet und stammte wahrscheinlich aus dem Krebsnebel.

Das Photon hat die Masse m = 0. Aus der relativistischen Beziehung E² = p²c² + m²c⁴ und der für elektromagnetisch transportierte Energie geltenden Beziehung E = pc folgt m = 0. In der Quantenfeldtheorie würde eine Photonenmasse einen zusätzlichen Term in der Lagrange-Dichte erfordern und die Eichinvarianz des elektromagnetischen Feldes verletzen. Anders als viele andere Elementarteilchen erhält das Photon auch keine Masse durch den Higgs-Mechanismus.

Manchmal wird dem Photon über E/c² eine „relativistische Masse“ zugeschrieben. Dieses Konzept gilt aber als überholt, weil Masse heute meist als intrinsische, beobachterunabhängige Eigenschaft verstanden wird. Photonen haben keine Ruhemasse, können aber durch ihre Energie zur Masse, Trägheit und Gravitationswirkung eines Systems beitragen.

Bewegung, Spin und Ladung

Im Vakuum bewegt sich ein Photon aufgrund seiner Masselosigkeit mit der absoluten Grenzgeschwindigkeit c = 299 792 458 m/s, wenn es einen wohldefinierten Impuls hat und durch eine einzelne ebene Welle beschrieben werden kann. Bei Überlagerungen mehrerer Impulsrichtungen kann die Gruppengeschwindigkeit auch im Vakuum kleiner sein als die Lichtgeschwindigkeit. Im Vakuum ist die Dispersionsrelation linear, weil E = ħω, p = ħk und E = pc gelten.

In einem Hohlraum können Photonen keine Impulseigenzustände bilden, aber stehende Wellen mit Erwartungswert null des Impulses. Auch dann trägt jedes Photon mit E = hν = ħω zur Gesamtenergie und mit E/c² zur Masse des Systems bei.

Photonen sind Spin-1-Teilchen und damit Bosonen. Das bedeutet, dass beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen können; ein Laser ist ein wichtiges Beispiel dafür. Wegen der fehlenden Masse kann der Photonenspin nur parallel oder antiparallel zur Flugrichtung orientiert sein. Diese Eigenschaft heißt Helizität. Bei zirkular polarisiertem Licht ist sie charakteristisch; bei Spiegelung der Ausbreitungsrichtung oder Umkehr der Rotationsrichtung wechselt sie das Vorzeichen.

Linear polarisiertes Licht kann als Überlagerung rechts und links zirkular polarisierter Photonen verstanden werden. Auch ein einzelnes Photon kann linear polarisiert sein; dann ist der Erwartungswert des Drehimpulses entlang der Flugrichtung null, aber bei einer Messung findet man mit je 50 % Wahrscheinlichkeit eine der beiden zirkularen Polarisationen.

Das Photon ist elektrisch neutral. Experimente setzen eine obere Schranke von 10^-35 Elementarladungen für eine mögliche Ladung.

Photonen in Materie und ihre Wechselwirkungen

Treffen Photonen auf Materie, hängt die Wirkung stark von ihrer Energie ab. Bei kleinen Energien von 0 bis einigen eV dominiert kohärente Streuung an kleinen Teilchen wie Molekülen oder Staub; diese heißt Rayleigh-Streuung. Bei wenigen eV können Photonen Atome anregen oder photochemische Prozesse auslösen.

Bei sichtbarem Licht, UV-Strahlung und bis zu vielen keV im Röntgenbereich kann der Photoeffekt auftreten: Ein Photon setzt ein Elektron frei. In weicher Röntgenstrahlung ist dieser Effekt besonders wichtig. Bei Streuung an Elektronen beschreibt man geringe Energien als Thomson-Streuung ohne Energieübertrag; bei hohen Energien spricht man von Compton-Streuung. Diese dominiert etwa von 100 keV bis einigen MeV, also bei harter Röntgenstrahlung und nuklearer Gammastrahlung.

Bei sehr hohen Energien von vielen MeV können Photonen Nukleonen freisetzen, Kernspaltung auslösen oder Elektron-Positron-Paare bilden. Die Aufspaltung von Deuterium ist schon ab 2,18 MeV möglich. Paarbildung wird ab einigen MeV dominant.

In optischen Medien wechselwirken Photonen mit dem Material. Ein Photon kann absorbiert und damit vernichtet werden; seine Energie geht dann in andere Energieformen über, zum Beispiel in Phononen oder Exzitonen. Wenn sich Licht durch ein Medium ausbreitet, wird es durch Streuprozesse behindert, bei denen Teilchen des Mediums virtuell angeregt werden. Photon und Reaktion des Mediums zusammen können als Quasiteilchen beschrieben werden, das Polariton heißt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist in solchen Medien meist kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und wird durch den Brechungsindex n beschrieben. In Quantenoptik-Experimenten wurde Licht in einem verdünnten, präparierten Gas auf wenige Meter pro Sekunde verlangsamt.

Erzeugung und Nachweis

Photonen können auf viele Arten entstehen. Besonders wichtig sind Übergänge von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen, also „Quantensprünge“, zum Beispiel zwischen Atom- oder Molekülorbitalen oder zwischen Energiebändern in einem Festkörper. Weitere Quellen sind nukleare Übergänge, Teilchen-Antiteilchen-Vernichtungsreaktionen, sogenannte Annihilation, und Fluktuationen in einem elektromagnetischen Feld.

Nachgewiesen werden Photonen je nach Energiebereich und Messaufgabe mit unterschiedlichen Geräten. Photomultiplier, Photoleiter und Photodioden können Photonen registrieren. Für ortsauflösende Detektion werden CCDs, Vidicons, PSDs, Quadrantendioden sowie Fotoplatten und Filme verwendet. Im Infrarotbereich kommen auch Bolometer zum Einsatz.

Photonen im Gammastrahlenbereich können einzeln durch Geigerzähler nachgewiesen werden. Im optischen Bereich eignen sich Photomultiplier und Avalanche-Photodioden auch zur Einzelphotonendetektion. Photomultiplier haben im Allgemeinen eine niedrigere Dunkelzählrate; Avalanche-Photodioden können dafür noch bei niedrigeren Photonenenergien bis in den Infrarotbereich eingesetzt werden.

Wissenschaftliche Entwicklung

Lange konkurrierten Wellen- und Teilchenvorstellungen vom Licht. Im 19. Jahrhundert schien die Wellennatur durch Interferenz- und Polarisationserscheinungen sowie durch die 1867 aufgestellten Maxwellschen Gleichungen stark bestätigt. Gleichzeitig gab es Hinweise auf Teilcheneigenschaften, besonders durch die Beobachtung des photoelektrischen Effekts 1887 durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs.

1900 führte Max Planck zur Erklärung der Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers das plancksche Strahlungsgesetz ein. Dafür musste er annehmen, dass Energie nur in diskreten, zur Frequenz proportionalen Mengen mit dem elektromagnetischen Feld ausgetauscht wird. Planck dachte zunächst aber nicht, dass die Strahlung selbst aus solchen Quanten besteht.

Albert Einstein formulierte 1905 in seiner Arbeit zum photoelektrischen Effekt die Lichtquantenhypothese: Licht besteht demnach aus lokalisierten Energiequanten, die sich bewegen, ohne sich zu teilen, und nur als Ganze absorbiert oder erzeugt werden können. Der Teilchencharakter blieb lange umstritten. Erst Arthur Compton und Walter Bothe zeigten 1923 bis 1925, dass Röntgenstrahlung auf einzelne Elektronen wie einzelne Teilchen mit bestimmter Energie und bestimmtem Impuls wirkt. Dies führte zur Deutung des Compton-Effekts.

Ab 1925 wurde die formale Quantentheorie des Lichts entwickelt, unter anderem durch Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg. Die moderne Beschreibung ist die Quantenelektrodynamik. Sie geht in ihren Anfängen auf Paul Diracs Arbeit von 1927 zurück und wurde in den 1940er Jahren ausgebaut. In der QED ist das elektromagnetische Feld selbst quantisiert; das Photon ist seine elementare Anregung.