Photonen

Photonen sind die quantisierten Anregungen des elektromagnetischen Feldes und die Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sie gelten als masselos (Ruhemasse Null) und bewegen sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit c. Ihre Energie hängt von der Frequenz ab: E = h f = h c / λ, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist und λ die Wellenlänge. Photonen besitzen Impuls p = E/c = h/λ. Hinsichtlich ihrer intrinsischen Drehung haben sie Spin 1; aufgrund der Masselosigkeit zeigen sie zwei Polarisationen bzw. Helizitäten von ±1 entlang ihrer Bewegungsrichtung.

In der Quantenfeldtheorie, insbesondere in der Quanten-Elektrodynamik (QED), werden Photonen als Quanta der elektromagnetischen Feldenergie beschrieben. Sie können nicht in einem Ruhesystem existieren und treten in vielen Prozessen als Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung auf. Photonen entstehen durch Übergänge geladener Teilchen oder durch spontane bzw. stimulierte Emission, wie bei Lasern; sie können auch durch thermische Strahlung freigesetzt werden.

Interaktionen mit Materie umfassen Absorption, Emission und Streuung. Wichtige Prozesse sind der photoelektrische Effekt, die Compton-Streuung und die Paarebildung. Aufgrund ihres Impulses können Photonen Impuls auf Materie übertragen (Strahlungsdruck). In Medien wird ihre Geschwindigkeit durch Dispersion beeinflusst; im Vakuum bleibt sie jedoch konstant bei c. Photonen ermöglichen Anwendungen in Fotografie, Optik, Telekommunikation und Solarenergie sowie das Verständnis kosmischer Phänomene wie der kosmischen Hintergrundstrahlung.