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Lexikon der Optik: Photon

Photon, Lichtquant, ursprünglich von A. Einstein 1905 hypothetisch eingeführtes Lichtteilchen, im Sinne eines räumlich lokalisierten Energieklümpchens mit dem Energieinhalt hν. Dabei bedeuten h das Plancksche Wirkungsquantum und ν die Lichtfrequenz. Die Konzeption des P. fand ihren präzisen mathematischen Ausdruck in der Quantentheorie der Strahlung. Einem P. als Bestandteil einer monochromatischen laufenden ebenen Welle ist ein Impuls der Größe p=

k zuzuschreiben, wobei

das durch 2π dividierte Plancksche Wirkungsquantum und k den Wellenzahlvektor bezeichnen. Eine Folge davon ist, daß ein Atom aus Impulserhaltungsgründen bei spontaner Emission wie auch bei Absorption eines P. einen Rückstoß erleidet. Weiterhin besitzen die P. einen Eigendrehimpuls oder Spin mit der Spinquantenzahl 1. Sie gehorchen damit der Bose-Statistik. Ist die ebene Welle zirkular polarisiert, so ist die Spinkomponente in Ausbreitungsrichtung scharf, und zwar besitzt sie den Wert +

oder –

, je nachdem, ob das Licht links oder rechts zirkular polarisiert ist. Dabei wurde die Konvention zugrunde gelegt, daß der Umlaufsinn des Vektors der elektrischen Feldstärke von einem Beobachter beurteilt wird, der die Welle auf sich zulaufen sieht. Neben dem Eigendrehimpuls kommt dem P. noch ein Bahndrehimpuls zu. Der resultierende Gesamtdrehimpuls entspricht im Falle der im optischen Spektralbereich nahezu ausschließlich zu beobachtenden Dipolstrahlung der Drehimpulsquantenzahl 1. Die Berücksichtigung dieses Sachverhaltes bei der Anwendung des Drehimpulserhaltungssatzes auf den elementaren Ausstrahlungs- bzw. Absorptionsvorgang führt zu strengen Auswahlregeln(Atomspektren).

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