Das Photon

Beschreibung

In der Physik bezeichnet man mit Photon (von Griechisch φως = Licht) die elementare Anregung (Quant) des quantisierten elektromagnetischen Felds. Es ist eines der Studienobjekte der Quantenelektrodynamik, dem ältesten Teil des Standardmodells der Teilchenphysik. Anschaulich gesprochen sind Photonen die "Bausteine" elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie "Lichtteilchen". Allerdings darf dabei nicht vergessen werden, dass alle (Elementar-) Teilchen einschließlich der Photonen auch Welleneigenschaften besitzen (siehe auch: Welle-Teilchen-Dualismus).

Eigenschaften

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert. Das bedeutet, die kleinste "Menge" an elektromagnetischer Strahlung beliebiger Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Photonen besitzen keine Ruhemasse, aber sie besitzen Energie. Ein freies Photon befindet sich nie in Ruhe, sondern bewegt sich mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit. Da Photonen Energie besitzen, wechselwirken sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Gravitation.

Spin

Photonen sind Spin-1 Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird. Photonen vermitteln die elektromagnetische Wechselwirkung: Sie sind die Teilchen, die es anderen Teilchen erlauben, miteinander elektromagnetisch wechselzuwirken. Sie zählen somit zu den Eichbosonen. Im allgemeinen erlaubt ein Teilchen mit Spin 1 die Beobachtung von drei Spinprojektionen (-1, 0, +1). Die Nullprojektion erfordert allerdings als Bezugssystem das Ruhesystem des Teilchens. Da sich ein Photon mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt, existiert entsprechend der Speziellen Relativitätstheorie ein solches Bezugssystem nicht, und somit besitzt es nur zwei Spinprojektionen (-1, +1). Photonen mit definierter Spinprojektion sind zirkular polarisiert.

Auch das Photon, das "Lichtteilchen", ist ein elementares Teilchen. Das besondere am Photon ist aber, dass es erzeugt und vernichtet werden kann. Jedes leuchtende Atom erzeugt Photonen. Diese Photonen werden von dunklen Oberflächen absorbiert (vernichtet). Die Zahl der Photonen ist also nicht fest, es können leicht neue Photonen erzeugt und bestehende vernichtet werden. In einigen Stoffen ist es sogar möglich, dass ein Photon in zwei Photonen aufgeteilt wird, die je einen Teil der Energie mit sich nehmen. Man kann Photonen also scheinbar teilen.

Trotz dieser Teilbarkeit sind Photonen elementar, weil sie nicht aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind. Dass man ihre Energie auf zwei Photonen aufteilen kann liegt nur daran, dass sie vernichtet und neu erzeugt werden können. Jede Streuung eines Photons an einem Atom kann als Vernichtung des alten und Erzeugung eines neuen Photons aufgefasst werden. Das Atom nimmt die Energie und den Impuls des Photons auf und gibt sie praktisch sofort wieder ab, indem es ein neues Photon erzeugt. Ebenso ist es einem Atom möglich, Energie abzugeben, indem es zwei Photonen erzeugt.

Ein Prozess, bei dem ein Atom ein Photon absorbiert und die Energie sofort in Form zweier neuer Photonen abgibt sieht also wie die Teilung eines Photons aus. Diese zwei Photonen stecken aber nicht vorher schon in dem ursprünglichen Photon, sondern werden erst bei diesem Prozess erzeugt. Diese "Photonenteilung" ist einem Atom übrigens nur möglich, wenn es sich in einem Kristall mit bestimmten geometrischen Eigenschaften befindet.