Фото́н (од грчке речи φωτός, што значи „светлост“) је елементарна честица, квант електромагнетног зрачења (у ужем смислу — светлости). То је честица чија је маса мировања једнака нули, те се најчешће користи израз да се каже да је фотон безмасена честица. Наелектрисање фотона је такође једнако нули. Спин фотона је 1, тако да фотон може бити само у два спинска стања са хелицитетом (односно пројекцијом спина на смер кретања) ±1. Хелицитету фотона у класичној електродинамици одговарају појмови кружна десна и лева поларизација електромагнетног таласа. На фотон, као и на друге елементарне честице, се односи честично-таласни дуализам, тј. фотон истовремено поседује и својства елементарне честице и особине таласа. Фотони се обично обележавају словом , због чега их често називају гама-квантима (фотони високих енергија) при чему су ти термини практично синоними. Са тачке гледишта Стандардног модела фотон је бозон. Виртуелни фотони су преносиоци електромагнетне интеракције који на тај начин обезбеђују могућност узајамног деловања између два наелектрисања.
Историја Савремена теорија светлости има дугачку историју. Макс Планк је постулирао квантни карактер зрачења електромагнетног поља 1900. године са циљем обједињења својстава топлотног зрачења. Термин „фотон“ увео је хемичар Гилберт Њутн Луис 1926. године. У годинама између 1905. и 1917. Алберт Ајнштајн је објавио . An English translation is available from Wikisource. . An English translation is available from Wikisource. Такође (1917). низ радова посвећених противуречности резултата експеримената и класичне таласне теорије светлости, фотоефекту и способности супстанце да буде у топлотној равнотежи са електромагнетним зрачењем.
Постојали су покушаји да се објасни квантна природа светлости полукласичним моделима, у којима је светлост и даље описивана Максвеловим једначинама, без узимања у обзир квантовања светлости, док су објектима који емитују и апсорбују светлост приписивана квантна својства. Без обзира што су полукласични модели утицали на развој квантне механике (што доказује то да нека тврђења полукласичних модела и последице истих и даље могу наћи у савременој квантној теорији), експерименти су потврдили Ајнштајнова тврђења да светлост има и квантну природу, односно да се електромагнетно зрачење преноси у строго одређеним малим деловима који се називају кванти електромагнетног зрачења. Квантовање као феномен није својствено само електромагнетним таласима, већ свим облицима кретања, притом не само таласним.
Увођење појма фотона је допринело стварању нових теорија и развоју физичких инструмената, а такође је погодовало развоју експерименталне и теоријске основе квантне механике. На пример, откривен је ласер, Бозе-Ајнштајнов кондензат, формулисана је квантна теорија поља и дата је статистичка интерпретација квантне механике. У савременом Стандардном моделу физике елементарних честица постојање фотона је последица тога да су закони физике инваријантни у односу на локалну симетрију у било којој тачки простор-времена. Овом симетријом су одређена унутрашња својства фотона као што су наелектрисање, маса и спин.
Међу областима које су засноване на разумевању концепције фотона истиче се фотохемија, видеотехника, компјутеризована томографија, мерење међумолекулских растојања, итд. Фотони се такође користе као елементи квантних компјутера и квантних уређаја за пренос података.
Историја назива и обележавања Фотон је првобитно од стране Алберта Ајнштајна назван „светлосним квантом“. Савремен назив, који је фотон добио на основу грчке речи (био је уведен 1926. године на иницијативу хемичара Гилберта Луиса, који је објавио теорију у којој је фотоне представио као нешто што се не може ни створити ни уништити. Луисова теорија није била доказана и била је у противуречности са експерименталним подацима, док је тај назив за кванте електромагнетног зрачења постао уобичајен међу физичарима.
У физици фотон се обично обележава симболом (по грчком слову „гама“). То потиче од ознаке за гама зрачење које је откривено 1900. године и које се састојало из фотона високе енергије. Заслуга за откриће гама зрачења, једног од три вида (α-, β- и γ-зраци) јонизујуће радијације, које су зрачили тада познати радиоактивни елементи, припада Полу Виларду, док су електромагнетну природу гама-зрака открили 1914. године Ернест Радерфорд и Едвард Андрејд. У хемији и оптичком инжењерству за фотоне се често користи ознака где је — Планкова константа и (грчко слово „ни“ које одговара фреквенцији фотона). Производ ове две величине је енергија фотона.
Историја развитка концепције фотона
мини|лево|200п|Експеримент Томаса Јанга у вези са интерференцијом светлости на два отвора (1805. године) је показао да се светлост може посматрати као талас. На тај начин су биле оповргнуте теорије светлости које су је представљале са честичном природом.
У већини теорија разрађених до -{XVIII века}-, светлост је била посматрана као мноштво честица. Једна од првих теорија те врсте била је изложена у „Књизи о оптици“ Ибна ал Хајтама 1021. године. У њој је тај научник посматрао светлосни зрак у виду низа малених честица које не поседују никаква квалитативна честична својства осим енергије. Пошто слични покушаји нису могли да објасне појаве као што су то рефракција, дифракција и двоструко преламање зрака, била је предложена таласна теорија светлости, коју су поставили Рене Декарт (1637), Роберт Хук (1665), и Кристијан Хајгенс (1678). . An English translation is available from Project Gutenberg (пројекат „Гутенберг“) Ипак модели засновани на идеји дискретне природе светлости остали су доминантни, уосталом због ауторитета оних који су је заступали, као што је Исак Њутн.
На почетку 19. века Томас Јанг и Огистен Жан Френел су јасно демонстрирали у својим огледима појаве интерференције и дифракције светлости, после чега су средином 19. века таласни модели постали општепризнати. Затим је то учинио Џејмс Максвел 1865. године у оквиру своје теорије, Овај чланак је објављен после Максвеловог обраћања Краљевском друштву 8. децембра 1864. године где наводи да је светлост електромагнетни талас. Потом је 1888. године та хипотеза била потврђена експериментално Хајнрихом Херцом, који је открио радио-таласе.
мини|десно|300п|Таласна теорија Максвела која је електромагнетно зрачење посматрала као талас електричног и магнетног поља 1900. године се чинила коначном. Ипак, неки експерименти изведени касније нису нашли објашњење у оквиру ове теорије. То је довело до идеје да енергија светлосног таласа може бити емитована и апсорбована у виду кваната енергије -{hν}-. Даљи експерименти су показали да светлосни кванти поседују импулс, због чега се могло закључити да спадају у елементарне честице. У сагласности са релативистичком представом било који објекат који поседује енергију поседује и масу, што објашњава постојање импулса код електромагнетног зрачења. Квантовањем тог зрачења и апсорпцијом може се наћи импулс појединих фотона.
Таласна теорија Максвела ипак није могла да објасни сва својства светлости. Према тој теорији, енергија светлосног таласа зависи само од његовог интензитета, не и од фреквенције. У ствари резултати неких експеримената су говорили обрнуто: енергија предата атомима од стране светлости зависи само од фреквенције светлости, не и од њеног интензитета. На пример неке хемијске реакције могу се одвијати само у присуству светлости чија фреквенција изнад неке границе, док зрачење чија је фреквенција испод те граничне вредности не може да изазове зачетак реакције, без обзира на интензитет. Аналогно, електрони могу бити емитовани са површине металне плоче само када се она обасја светлошћу чија је фреквенција већа од одређене вредности која се назива црвена граница фотоефекта, а енергија тих електрона зависи само од фреквенције светлости, не и њеног интензитета.Зависност луминисценције од фреквенције. стр. 276f, фотоелектрични ефекат, одељак 1.4 у књизи
Истраживања својстава зрачења апсолутно црног тела, која су вршена током скоро четрдесет година (1860—1900), завршена су формулисањем хипотезе Макса Планка о томе да енергија било ког система при емисији или апсорпцији електромагнетног зрачења фреквенције може бити промењена само за величину која одговара енергији кванта , где је — Планкова константа. Алберт Ајнштајн је показао да таква представа о квантовању енергије треба да буде прихваћена, како би се објаснила топлотна равнотежа између супстанце и електромагнетног зрачења. На истом основу је теоријски био објашњен фотоефекат, описан у раду за који је Ајнштајн 1921. године добио Нобелову награду за физику. Насупрот томе, теорија Максвела допушта да електромагнетно зрачење поседује било коју вредност енергије.
Многи физичари су првобитно претпостављали да је квантовање енергије резултат неког својства материје која емитује и апсорбује електромагнетне таласе. Ајнштајн је 1905. године претпоставио да квантовање енергије представља својство самог електромагнетног зрачења. Признајући тачност Максвелове теорије, Ајнштајн је приметио да многе несугласице са експерименталним резултатима могу бити објашњене ако је енергија светлосног таласа локализована у квантима, који се крећу независно једни од других, чак ако се талас непрекидно простире у простор-времену. У годинама између 1909. и 1916, Ајнштајн је показао, полазећи од тачности закона зрачења апсолутно црног тела, да квант енергије такође мора поседовати импулс , . Импулс фотона био је открио експериментално Артур Комптон, за шта је добио Нобелову награду за физику 1927. године. Ипак, питање усаглашавања таласне теорије Максвела са експерименталним чињеницама је остало отворено. Низ аутора је утврдио да се емисија и апсорпција електромагнетних таласа дешавају у порцијама, квантима, док је процес њиховог простирања непрекидан. Квантни карактер појава као што су зрачење и апсорпција доказује да је немогуће да микросистем поседује произвољну количину енергије. Корпускуларне представе су добро усаглашене са експериментално посматраним законитостима зрачења и апсорпције електромагнетних таласа, укључујући топлотно зрачење и фотоефекат. Ипак, по мишљењу представника оних који су заступали тај правац експериментални подаци су ишли у прилог томе да квантна својства електромагнетног таласа не бивају испољена при простирању, расејању и дифракцији, уколико притом не долази до губитка енергије. У процесима простирања електромагнетни талас није локализован у одређеној тачки простора, понаша се као целина и описује Максвеловим једначинама.
Решење је било пронађено у оквиру квантне електродинамике.
Рани покушаји оспоравања
мини|лево|280п|До 1923. године већина физичара је одбијало да прихвати идеју да електромагнетно зрачење поседује квантна својства. Уместо тога они су били склони објашњавању понашања фотона квантовањем материје, као на пример у Боровој теорији за атом водоника. Мада су сви ови полукласични модели били само приближно тачни и важили само за просте системе, они су довели до стварања квантне механике.
Као што је поменуто у нобеловској лекцији Роберта Миликена, предвиђања која је Ајнштајн направио 1905. године била су проверена експериментално на неколико независних начина у прве две деценије 20. века<ref name="Millikan1923"> Опубликовано 23 мая 1924 года.</ref>. Ипак, Комптоновог експеримента идеја квантне природе електромагнетног зрачења није била призната међу свим физичарима (погледати Нобеловске лекције Вилхелма Вина, Макса Планк и Роберта Миликена), што је било повезано са успесима таласне теорије светлости Максвела. Неки физичари су сматрали да квантовање енергије у процесима емисије и апсорпције светлости било последица неких својстава супстанце која ту светлост зрачи или апсорбује. Нилс Бор, Арнолд Зомерфелд и други су разрађивали моделе атома са енергетским нивоима који су објашњавали спектар зрачења и апсорпције код атома и били у сагласности са експериментално утврђеним спектром водоника