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Photon
(Abkürzung: γ)

Elektromagnetische Strahlung wird nicht kontinuierlich, sondern in kleinen, unteilbaren „Häppchen“ (Quanten) übertragen. Diese „Häppchen“ heißen Photonen. Sie werden auch als Lichtteilchen oder Lichtquanten bezeichnet, was für Laien leichter verständlich ist. Licht ist allerdings nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums, und Photonen gibt es für jede Frequenz von längsten Radiowellen bis härtesten Gammastrahlen.

„Echtes“ Teilchen?

Photonen erscheinen wie Teilchen, obwohl die Strahlung, die sie übertragen, Welleneigenschaften zeigt. Viele Menschen glaubten und glauben auch heute noch, dass Photonen nicht real existieren oder zumindest „kein normales Teilchen“ sind. Auch ich dachte sehr lange, dass Licht „eigentlich“ eine Welle ist und Photonen nur eine theoretische Vorstellung der Quantentheorie sind. Aber das müsste dann auch für Elektronen gelten, denn die unterliegen genauso dem Welle-Teilchen-Dualismus.

Bei niedrigen Frequenzen (Radiowellen, Mikrowellen, fernes Infrarot) fällt die Teilchennatur der Strahlung kaum auf, da dann jedes Photon

Daten

Eigendrehimpuls

Photonen haben einen Eigendrehimpuls (Spin), so als würden sie sich um sich selbst drehen. Die beobachtbare Polarisation von (z. B.) Licht (= Schwingungsrichtung des „transportierten“ elektrischen Feldes) hängt mit diesem Eigendrehimpuls zusammen:

Warum nur 2 Möglichkeiten für den Eigendrehimpuls?

Ein Teilchen mit Spin s kann man in genau (2s+1) Raumrichtungen ausrichten. Eine Ausnahme bilden die Photonen, die trotz s=1 nur zwei Ausrichtungen (Polarisierungen) kennen.

Während etwa der Elektronenspin parallel oder antiparallel zu einer beliebig vorgegebenen Richtung ist, kann der Photonenspin wegen fehlender Masse nur parallel oder antiparallel zur Flugrichtung orientiert sein.

Nachweis im Flug

Früher stand in der englischen Wikipedia fälschlicherweise:

Der Nachweis eines Photons ist ein destruktiver Vorgang, denn ein Photon kann niemals im Flug gesehen werden.^[2]

Tatsächlich kann ein Photon nachgewiesen werden, ohne es zu absorbieren (Quantum Nondemolition Measurement), z. B. mit Atomen, deren äußerstes Elektron sehr weit vom Kern entfernt ist (Rydberg-Atome).^[3] Das geht unter anderem deswegen, weil ein nahe vorbeifliegendes Photon durch das elektromagnetische Feld, das es „transportiert“, die geladenen Elektronen und Protonen im Atom beeinflusst (was ich von einem elektrisch neutralen Teilchen nicht erwartet hätte – hier zeigt sich, dass das Bild der fliegenden Lichtteilchen nicht „die ganze Wahrheit“ sein kann).

Wechselwirkungen von 2 Photonen

Photonen stören sich normalerweise nicht gegenseitig – so wie sich auch 2 Lichtstrahlen kreuzen können und danach ihren Weg unbeirrt fortsetzen. Zumindest sieht es so aus, denn:

die Quantenphysik [sagt] den Effekt der „Licht-an-Licht-Streuung“ voraus. Gewöhnliche Laser sind nicht stark genug, ihn nachzuweisen, am Teilchenbeschleuniger des CERN konnte er aber beobachtet werden.

Vergleichsweise einfach ist zu beobachten, wie 2 Photonen ab ca. 1 GeV Gesamtenergie „zusammenstoßen“ und dabei z. B. ein Elektron-Positron-Paar erzeugen (Breit-Wheeler-Effekt).

In extremen Zuständen scheinen sich Photonen miteinander zu verbinden.

Geschwindigkeit

Im Vakuum bewegen sich Photonen, da sie keine Masse haben, immer mit Lichtgeschwindigkeit. Wenn Photonen Energie verlieren (z. B. in einem Gravitationsfeld), werden sie nicht langsamer, sondern es verringert sich ihre Frequenz (bei sichtbarem Licht: ihre Farbe verschiebt sich ins Rötliche).

In Materie kann das Licht scheinbar langsamer werden (im Extremfall sogar zum Stillstand kommen):

Durch die Kopplung des elektrischen Feldes an die Atome bewegt sich die Lichtwelle im Medium langsamer als im Vakuum und man kann diese neue Welle ähnlich wie eine freie Lichtwelle zu langsameren Photonen quantisieren. Diese Lichtquanten sind aber nicht mit den Photonen im Vakuum identisch. Man kann daher nicht von einer Abbremsung der Photonen sprechen.

Jedoch:

Ein Photon im Überlagerungszustand von Impulsen mehrerer Richtungen bewegt sich auch im Vakuum langsamer als die Lichtgeschwindigkeit (siehe Bessel-Strahl).

Häufigkeit

Ein Kubikzentimeter des [Welt-]Raumes enthält im Mittel etwa 400 Photonen. Damit erwiesen sich die Photonen als die häufigsten Elementarteilchen des Universums.^[4]

Diese rund 400 Photonen stammen fast ausschließlich von der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Wahrnehmung

Mit unserem Auge können wir sogar ein einzelnes Photon sehen – allerdings nur mit einer gewissen (geringen) Wahrscheinlichkeit.

Dass nicht jedes Photon direkt als Lichtblitz wahrgenommen wird, erklärt sich allein schon dadurch, dass die allermeisten vor Erreichen der Netzhaut absorbiert werden. Laborexperimente mit isolierten Froschsinneszellen hatten jedoch bereits früher belegt, dass deren Rezeptoren zumindest prinzipiell in der Lage sind, auf einzelne Lichtteilchen zu reagieren. ...
Ein einzelnes Photon zu bemerken, sei nicht wie normales Sehen, sagt Studienautor Vaziri, der seine Apparatur selbst ausprobiert hat: „Es ist beinahe ein Gefühl, an der Grenze zur Einbildung“

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Quellen

Seite erstellt am 14.11.2026 – letzte Änderung am 14.11.2026