הצגת המקור של הדף "פוטון"

{{פירוש נוסף}}
{{מידע חלקיק
|שם=פוטון
|תמונה=[[קובץ:Military laser experiment.jpg|275px|מרכז]]
|כיתוב=פוטונים הנפלטים בקרן [[קוהרנטיות (פיזיקה)|קוהרנטית]] מ[[לייזר]]
|הרכב=[[חלקיק יסודי]]
|סטטיסטיקה=[[בוזון]]
|קבוצת שיוך=[[בוזון כיול]]
|דור=
|אנטי חלקיק=עצמו
|סמל=γ
|מסה1=0
|מסה2=0
|מטען=0
|ספין=1
|מספר לפטוני=0
|מספר באריוני=0
|מטען צבע=0
|אינטראקציות=[[אלקטרומגנטיות]], [[הכוח החלש]], [[כבידה]]
|קומפוזיציה=
|משך חיים=יציב
|נצפה=כן
|הכרה=[[פרס נובל לפיזיקה]] [[1921|לשנת 1921]]
|תאריך גילוי=[[1905]]{{ביאור|ההסבר של [[האפקט הפוטואלקטרי]] על ידי [[אלברט איינשטיין]] נחשב לגילוי הפוטון.}}}}
'''פֿוֹטוֹן''' ('''Photon''') הוא [[חלקיק יסודי]], המהווה את ה[[קוונטום]] של ה[[שדה אלקטרומגנטי|שדה האלקטרומגנטי]] ו[[נשא כוח|נשא הכוח]] של [[אלקטרומגנטיות|הכוח האלקטרומגנטי]]. הפוטון הוא [[בוזון כיול]], נטול [[מסה]] ו[[מטען חשמלי]], ובעל [[ספין (פיזיקה)|ספין]] של 1. כל פוטון נושא [[אנרגיה]] ומהווה מנה (קוונטום) של [[קרינה אלקטרומגנטית]], לרבות [[אור]] ו[[גלי רדיו]]. אנרגיית הפוטון נקבעת אך ורק לפי ה[[תדר]] או לפי [[אורך גל|אורך הגל]] של הפוטון (לחלופין, התדר ואורך הגל נקבעים לפי אנרגיית הפוטון). רמות האנרגיה השונות של הפוטונים אחראיות למגוון רחב של תופעות, לרבות מגוון ה[[צבע]]ים של [[הספקטרום הנראה|האור הנראה]], תדרים שונים של שידורי [[רדיו]], ההבחנה בין [[קרינה מייננת]] ל[[קרינה בלתי מייננת]] ועוד.

לפוטון, כמו לכל חלקיקי היסוד האחרים, ישנן תכונות הן של [[גל]] והן של [[חלקיק]], תופעה המכונה "[[דואליות גל-חלקיק]]".{{הערה|[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod1.html Wave-Particle Duality ], אתר hyperphysics}} התופעות דמויות-הגל שמציגים פוטונים הן, לדוגמה, [[שבירה]] על ידי [[עדשה]] ו[[התאבכות]]. התכונות החלקיקיות של הפוטון הן, בין השאר, [[פיזור]] והעברת [[אנרגיה]] במנות בדידות. פוטון שעובר [[אינטראקציה]] מלאה עם [[אטום]] או עם [[מולקולה]] [[בליעת אור|נבלע]] ומוסר, או [[ספקטרום פליטה|נפלט]] ומקבל, את כל האנרגיה שלו תוך כך. בעקבות האינטראקציה עוברים האטום או המולקולה [[עירור]] או [[יינון]]. עבור אור בתחום הנראה, האנרגיה הנישאת על ידי פוטון יחיד של אור [[ירוק]] לדוגמה היא כ-{{SN|4|-19}} [[ג'ול]] בקירוב, כמות אנרגיה המספיקה לעורר מולקולה יחידה של [[תא קולט אור]] ב[[עין]], וליצור בכך [[דחף עצבי|אות עצבי]] שהוא הבסיס ה[[פיזיולוגיה|פיזיולוגי]] ל[[ראייה]].

פוטונים מקיימים מגוון רחב של אינטראקציות עם חומר, כגון [[אפקט קומפטון]], בו משנה הפוטון את האנרגיה אותה הוא נושא ולכן גם את אורך הגל שלו,{{הערה|[https://www.britannica.com/science/Compton-effect אפקט קומפטון], אנציקלופדיה בריטניקה}} ו[[יצירת זוג]], תהליך בו [[אלקטרון]] ו[[פוזיטרון]] נוצרים מפוטון בודד העובר ליד אטום.{{הערה|[https://www.britannica.com/science/pair-production יצירת זוג], אנציקלופדיה בריטניקה}} פוטונים יכולים להיפלט מ[[גרעין האטום|גרעין אטום]] לא יציב בצורת [[קרינת גמא]], וכמו כן הם יכולים להיפלט על ידי חלקיקים טעונים הנמצאים ב[[תאוצה]].{{הערה|[http://physics.stackexchange.com/questions/70054/why-do-electrons-emit-radiation Why do electrons emit radiation?], אתר physics.stackexchange}}

ב[[אלקטרודינמיקה קוונטית]], הפוטון משמש כמתווך בתהליכים אלקטרומגנטיים, כלומר, האינטראקציה מתרחשת באמצעות החלפת פוטונים בין חלקיקים טעונים. למעשה, כל ה[[שדה חשמלי|שדות החשמליים]] וה[[שדה מגנטי|מגנטיים]] ניתנים לתיאור באמצעות פוטונים. לפי [[המודל הסטנדרטי]] של [[פיזיקת חלקיקים|פיזיקת החלקיקים]], קיום הפוטון הוא תוצאה של הדרישה כי לחוקים הפיזיקליים תהיה [[סימטריה]] מסוימת בכל נקודה ב[[מרחב-זמן]]. תכונות הפוטונים, כגון [[מטען חשמלי]], [[מסה]] ו[[ספין (פיזיקה)|ספין]], נקבעות על ידי מאפייני סימטריה זו ([[תורת כיול|סימטריית כיול]]).

הרעיון כי האור נישא במנות בדידות, כלומר באמצעות פוטונים, פותח על ידי [[אלברט איינשטיין]] החל מ-[[1905]].{{הערה|[http://www.hyperhistory.com/online_n2/History_n2/index_n2/einstein_theory.html Historians still call the year 1905 the annus mirabilis], אתר hyperhistory}} איינשטיין פירש את הנוסחה שהציע [[מקס פלאנק]] על מנת להסביר את ה[[ספקטרום]] של [[קרינת גוף שחור]]:

: E = hν

כאשר h הוא [[קבוע פלאנק]]. איינשטיין זיהה את E עם אנרגיית [[קוונטום|קוונט]] אחד של קרינה אלקטרומגנטית, שלימים נקרא פוטון, ואת ν עם תדר הקרינה. באמצעות מודל הפוטונים, הצליח איינשטיין להסביר את [[האפקט הפוטואלקטרי]]. הנוסחה E = hν מכונה נוסחת פלאנק-איינשטיין (Planck-Einstein formula). יחד עם ה[[פיזיקאי]] ה[[הודו|הודי]] [[סאטינדרה נאת בוז]], סיפק איינשטיין תיאור סטטיסטי של אור, המסביר את [[קרינת פלאנק]]. בנוסף, מתוך שיקולים סטטיסטיים, הסיק איינשטיין את קיומו של מנגנון ה[[פליטה מאולצת|פליטה המאולצת]], וכן מצא קשרים בין [[משוואות הקצב של איינשטיין|מקדמי הבליעה והפליטה]] של אור על ידי חומר.

גילוי מודל הפוטון הביא לפריצות דרך ב[[פיזיקה]] הניסויית והתאורטית, כגון פיתוח ה[[לייזר]]ים, יצירת [[עיבוי בוז-איינשטיין]] ובאופן כללי הביא להתפתחות [[מכניקת הקוונטים]]. תחומים רבים אחרים התקדמו בזכות הבנת מושג הפוטון, למשל [[פוטוכימיה]], [[מיקרוסקופ]]יה בהפרדה גבוהה ומדידת מרחקים ברמה המולקולרית. בתחילת המאה ה-21 נמצא שימוש לפוטונים בודדים במחקרים העוסקים ב[[מחשב קוונטי|מחשוב קוונטי]] וביישומי [[תקשורת אופטית]] מתקדמים, כגון [[הצפנה קוונטית]].

==אטימולוגיה==
במאמרו המקורי מ-[[1905]] נתן [[אלברט איינשטיין]] לפוטון את השם "קוונט האור" (ב[[גרמנית]]: "das Lichtquant").{{הערה|[http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00599813?LI=true Albert Einstein und das Lichtquantum], מאמרו של [[מקס בורן]] מ-1955 (גרמנית)}} מקור השם המודרני "פוטון" הוא במילה ה[[יוונית]] "פוס" (אור). השם נטבע ב-[[1926]] על ידי ה[[כימאי]] [[גילברט ניוטון לואיס]], שפרסם תאוריה ספקולטיבית שלפיה פוטונים בלתי ניתנים ליצירה או להשמדה.{{הערה|[http://adsabs.harvard.edu/abs/1926Natur.118..874L. The Conservation of Photons], מאמרו של לואיס מ-[[1926]]}} התאוריה של לואיס לא התקבלה, מאחר שהיא נסתרה על ידי ניסויים רבים, אך השם החדש "פוטון" אומץ מיד על ידי רוב הפיזיקאים. דעה אחרת מוצגת בספרו של [[אייזק אסימוב]] "הנייטרינו, חלקיק הרפאים של האטום" ([[1966]]). אסימוב זוקף לזכותו של [[ארתור קומפטון]] את הגדרת קוונט האור כפוטון ב-[[1927]].

בפיזיקה, הפוטון מסומן בדרך-כלל ב[[אלפבית יווני|אות היוונית]] [[גמא]], γ. מקור הסמל, ככל הנראה, ב[[קרינת גמא]]. קרניים אלה התגלו ב-[[1900]] על ידי [[פול אולריך וילארד]]. ב-[[1914]] הראו [[ארנסט רתרפורד]] ו[[אדוארד אנדרד]] שהן למעשה קרינה אלקטרומגנטית. ב[[כימיה]] וב[[הנדסה אופטית]], פוטונים וקרינה אלקטרומגנטית מסומנים פעמים רבות hν.{{ביאור|הביטוי מייצג את אנרגיית הפוטון, כאשר h הוא קבוע פלאנק והאות ה[[יוונית]] ν ([[נו (אות)|נו]]) היא תדר הקרינה. לעיתים מסומן הפוטון גם hf, כאשר f מסמלת את התדר.}}

==היסטוריה==
[[קובץ:Young Diffraction.png|ממוזער|300px|שמאל|[[ניסוי שני הסדקים]] של [[תומאס יאנג]], ב-[[1805]], הראה כי לאור יש תכונות [[גל]]יות, ובכך סתר, לכאורה, את התאוריות שגרסו כי האור מורכב מ[[חלקיק]]ים]]
[[קובץ:Light-wave-he.png|ממוזער|300px|שמאל|ב-[[1900]], [[משוואות מקסוול|המודל התאורטי]] של [[ג'יימס קלרק מקסוול|מקסוול]], אשר גרס כי האור מורכב מ[[שדה חשמלי|שדות חשמליים]] ו[[שדה מגנטי|שדות מגנטיים]] הנעים בחלל, נראה שלם. עם זאת, היו מספר תצפיות שלא נמצא להן הסבר באף מודל גלי של [[קרינה אלקטרומגנטית]], ועובדה זו הובילה לרעיון שאנרגיית האור "ארוזה" בחבילות, [[מכניקת הקוונטים|קוונטים]], אשר תוארו בנוסחה E=hν. ניסויים מאוחרים יותר הראו כי הקוונטים של האור נשאו גם [[תנע]], ולכן ניתן היה להתייחס אליהם כאל [[חלקיק יסודי|חלקיקים יסודיים]]. כך נולד מושג הפוטון, שאיפשר הבנה מעמיקה יותר של השדות החשמליים והמגנטיים עצמם]]

רוב תאוריות האור עד [[המאה ה-18]] תיארו את האור כעשוי מ[[חלקיק]]ים. אחת מהתאוריות החלקיקיות המוקדמות ביותר נוסחה על ידי [[אבן אל-היית'ם]] בספרו "[[ספר האופטיקה]]" מ-[[1021]]. קרני האור תוארו שם כזרמי חלקיקים זערוריים "חסרי תכונות מוחשיות למעט אנרגיה". מאחר שהמודלים החלקיקיים של האור אינם מסבירים בקלות תופעות כגון [[שבירה]], [[עקיפה]] ו[[שבירה כפולה]], הוצעו מאוחר יותר תאוריות גליות על ידי [[רנה דקארט]] ([[1637]]), [[רוברט הוק]] ([[1665]]) ו[[כריסטיאן הויגנס]] ([[1678]]); למרות זאת, המודלים החלקיקיים נותרו דומיננטיים, בעיקר עקב השפעתו של [[אייזק ניוטון]]. בתחילת [[המאה ה-19]] הראו [[תומאס יאנג]] ו[[אוגוסטן ז'אן פרנל|אוגוסטן פרנל]] כי האור מקיים תופעות [[התאבכות]] ועקיפה, ועד [[1850]] המודלים הגליים כבר היו מקובלים על רוב המדענים. ב-[[1865]] שיער [[ג'יימס קלרק מקסוול]], באמצעות [[משוואות מקסוול|המשוואות שפיתח]], כי האור הוא גל אלקטרומגנטי, והשערה זו אושרה כש[[היינריך רודולף הרץ|היינריך הרץ]] גילה את גלי ה[[רדיו]]. התגלית נדמתה כסותמת את הגולל על המודלים החלקיקיים של האור.{{הערה|[http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/history/HistTopics/Light_1.html Light through the ages: Ancient Greece to Maxwell], אתר groups.dc}}{{הערה|[http://web.stanford.edu/~oas/HSHS08/HSHSoutline1.pdf Physics: Light 1.a Introduction, Ancient History of theories of light], אתר web.stanford.edu}}

למרות האמור לעיל, [[משוואת הגל האלקטרומגנטי|תאוריית הגלים של מקסוול]] לא הסבירה את כל תכונות האור. תאוריית מקסוול גורסת כי אנרגיית הגל תלויה אך ורק ב[[עוצמה (פיזיקה)|עוצמתו]], ולא ב[[תדירות]]ו; אף על פי כן, מספר ניסויים בלתי תלויים הראו כי האנרגיה שהאור מעניק לאטומים כן תלויה בתדירות שלו, ולא בעוצמה. לדוגמה, [[פוטוכימיה|חלק מהתגובות הכימיות]] נגרמות רק על ידי אור שתדירותו גבוהה מערך סף מסוים; אור בתדירות נמוכה מהסף, ללא תלות בעוצמתו, לא יגרום לתגובה. באותו אופן ניתן לקרוע [[אלקטרון|אלקטרונים]] ממשטח [[מתכת]]י על ידי הארתו בתדירות גבוהה מספיק. זהו [[האפקט הפוטואלקטרי]]. אנרגיית האלקטרון הנפלט נקבעת לפי תדירותו של האור, ולא לפי עוצמתו.

במקביל, המחקרים ב[[קרינת גוף שחור]] שבוצעו במשך ארבעה עשורים ([[1860]]-[[1900]]) על ידי חוקרים רבים הגיעו לשיאם בהשערה של [[מקס פלאנק]] כי האנרגיה של כל מערכת הקולטת או פולטת קרינה אלקטרומגנטית עם תדר ν היא כפולה שלמה של קוונט האנרגיה E = hν. [[אלברט איינשטיין]] הראה כי אם מניחים צורה כלשהי של קוונטיזציית אנרגיה, ניתן להסביר את [[שיווי משקל תרמודינמי|שיווי המשקל התרמודינמי]] הנצפה בין החומר והקרינה האלקטרומגנטית. עבור הסבר זה של [[האפקט הפוטואלקטרי]], קיבל איינשטיין את [[פרס נובל לפיזיקה]] ב-[[1921]].

מאחר ש[[תאוריית האור של מקסוול]] מאפשרת לקרינה אלקטרומגנטית לקבל כל ערך שרירותי של אנרגיה, רוב הפיזיקאים הניחו שקוונטיזציית האנרגיה נובעת ממגבלה בלתי-ידועה כלשהי של החומר שספג ופלט את הקרינה, ולא מגבלה על הקרינה עצמה. ב-[[1905]], היה איינשטיין הראשון להעלות את ההשערה שקוונטיזציית האנרגיה היא תכונה של הקרינה האלקטרומגנטית עצמה. אף על פי שאיינשטיין קיבל את תקפותה של תאוריית מקסוול, הוא הצביע על כך שניתן להסביר תוצאות של ניסויים רבים שלא עלו בקנה אחד עם התאוריה, אם אנרגיית גלי האור הייתה מרוכזת בקוונטים נקודתיים אשר נעו בנפרד אחד מהשני, אפילו אם הגל עצמו נפרש באופן רציף בחלל. ב-[[1909]] וב-[[1916]] הראה איינשטיין כי לפי [[חוק פלאנק]] לקרינת גוף שחור, קוונטי האנרגיה חייבים לשאת גם [[תנע]] המוגדר על ידי p = h / λ, ולכן ניתן להתייחס אליהם כאל [[חלקיק יסודי|חלקיקים יסודיים]] במלוא מובן המילה. תנע הפוטון נצפה בניסוי על ידי [[ארתור קומפטון]], ועל כך הוא קיבל את פרס נובל לפיזיקה ב-[[1927]]. נתונים אלו העלו את השאלה החשובה שהעסיקה פיזיקאים רבים: כיצד לאחד את התאוריה הגלית של מקסוול עם טבעו החלקיקי של האור כפי שנצפה בניסוי. התשובה לשאלה זו העסיקה את איינשטיין בשארית חייו, ונפתרה לבסוף באמצעות [[אלקטרודינמיקה קוונטית]] וממשיכת דרכה, תאוריית [[המודל הסטנדרטי]].
{{-}}

==תכונות פיזיקליות==
[[קובץ:Electron-positron-scattering.svg|220px|ממוזער|שמאל| [[דיאגרמת פיינמן]] בה מוחלף פוטון וירטואלי (מסומן על ידי קו מפותל והסמל <math>\ \gamma</math>) בין [[פוזיטרון]] ו[[אלקטרון]].]]
הפוטון חסר [[מסת מנוחה|מסה]]{{ביאור|1=מסת הפוטון נחשבה לאפס בדיוק, בהתבסס על ניסויים והתחשבויות תאורטיות המתוארים בגוף הערך. מספר מקורות מציינים גם את רעיון ה"מסה היחסותית", שהיא רק סקאלת האנרגיה ליחידות מסה. עבור פוטון עם אורך גל λ או אנרגיה E, יהיה הדבר שווה ל-h/λc או E/c^2. שימוש זה במושג "מסה" אינו מקובל יותר בספרות הפיזיקה.}} וחסר [[מטען חשמלי]], ואינו מתפרק באופן ספונטני בריק. [[מהירות האור|מהירות האור בריק]], c, היא [[קבוע פיזיקלי|קבוע]] שערכו 299,792,458 [[מטר]]ים ל[[שנייה]]. לכן פוטון לא יכול להימצא במצב מנוחה. יש לו שני מצבי [[קיטוב]] אפשריים, וניתן לתארו על ידי שלושה פרמטרים רציפים בדיוק: רכיבי [[וקטור גל|וקטור הגל]] שלו. הם קובעים את אורך הגל λ וכיוון ההתפשטות של הפוטון. פוטון נע ב[[מסילה גאודזית|מסלול גאודזי]] ממוצע, כלומר בדרך הקצרה ביותר ב[[מרחב-זמן]]. פוטון נושא אנרגיה ותנע הקשורים זה לזה בהתאמה לאורך הגל שלו, כפי שמודגם בניסוח האפקט הפוטואלקטרי וב[[לואי דה ברויי#משוואת דה ברויי|משוואת דה ברויי]].

פוטון הוא [[חלקיק אלמנטרי]] מסוג [[בוזון]], כלומר חלקיק בעל [[ספין (פיזיקה)|ספין]] שלם המציית ל[[התפלגות בוז-איינשטיין|סטטיסטיקת בוז-איינשטיין]], ולכן ניתן לדחוס מספר בלתי מוגבל של פוטונים לתוך אותו מצב קוונטי.{{ביאור|להבדיל מ[[פרמיון|פרמיונים]], כמו [[אלקטרון|אלקטרונים]], ששניים מהם לא יכולים להיות באותו [[מצב קוונטי]]. כך, למשל, אין הם יכולים להיות בעלי אותו ספין ובאותו [[אורביטל]] בעת ובעונה אחת (לא חשוב אם האורביטל הוא [[אורביטל אטומי]] או מולקולרי).}} לפוטון ספין שלם של 1, אך מכיוון שהוא חסר מסה, יש לו [[בורגיות]] מוגדרת, ולכן הספין יכול לקבל רק את הערכים <math>\pm \hbar</math>.

על פי [[תורת שדות קוונטית|תורת השדות]], הפוטון הוא [[בוזון כיול|בוזון הכיול]] של [[הכוח האלקטרומגנטי]], כלומר, הכוחות החשמליים והמגנטיים הם תוצר של החלפת פוטונים. כל שאר המספרים הקוונטים של הפוטון, כגון [[מספר לפטוני]], [[מספר באריוני]] ו[[מוזרות]], הם אפס בדיוק. מכיוון שמסת הפוטון היא 0, הכוח החשמלי הוא כוח ארוך טווח (למעשה, בעל טווח [[אינסוף|אינסופי]]) ועוצמתו פרופורציונלית לאחד חלקי המרחק בריבוע. זאת בניגוד, לדוגמה, ל[[גלואון]], הנושא את [[הכוח החזק]]. אף שגם הגלואון הוא בעל מסה של 0, הרי שלגלואון עצמו יש [[מטען צבע]]. כתוצאה מכך הגלואונים נמשכים זה לזה בעוצמה רבה. תגובה זו מקצרת את טווח הפעולה של הגלואונים ומביאה לכך שהכוח החזק הוא כוח קצר טווח, כאשר מרבית האינטראקציה החזקה מתקיימת בתוך הקוטר של [[האדרון]] בודד.

פוטונים נפלטים בתהליכים [[טבע]]יים רבים. לדוגמה, כאשר חלקיק טעון [[תאוצה|מואץ]] בעת מעבר [[מולקולה|מולקולרי]], [[אטום|אטומי]] או [[גרעין האטום|גרעיני]] ל[[רמת אנרגיה]] נמוכה יותר, או כאשר חלקיק ו[[אנטי-חלקיק]] שלו [[איון (פיזיקה)|מתאיינים]]. פוטונים נבלעים בתהליכים ההפוכים (מבחינת סדר התרחשותם) לתהליכים המוזכרים לעיל: לדוגמה, ב[[יצירת זוג]] של חלקיק ואנטי-חלקיק או במעבר מולקולרי, אטומי או גרעיני לרמת אנרגיה גבוהה יותר.

===האנרגיה והתנע של פוטון===
בחלל ריק הפוטון נע ב[[מהירות האור]], c. בין ה[[אנרגיה]] שלו E לבין ה[[תנע]] <math>p</math> שלו קיים [[יחס נפיצה|יחס הנפיצה]] הבא: <math>E = cp</math>. לשם השוואה, המשוואה המתאימה לחלקיקים עם [[מסת מנוחה]] m, כפי שהיא מנוסחת ב[[תורת היחסות הפרטית]], היא: <math>\ E^2 = c^2 p^2 + m^2 c^4</math>.

אנרגיית הפוטון תלויה רק ב[[תדירות]] ν או ב[[אורך גל|אורך הגל]] λ שלו, שכן <math>\nu = \frac{c}{\lambda}</math> ו-h הוא [[קבוע פלאנק]]):

<math>E = \hbar\omega = h\nu = \frac{h c}{\lambda}</math>

כאשר <math>\hbar</math> הוא [[קבוע פלאנק המצומצם]] ו- <math>\ \omega=2\pi \nu</math>, [[תדירות זוויתית]].

התנע של הפוטון תלוי אך ורק באורך הגל שלו:

<math>p = \hbar k = \frac{h}{\lambda} = \frac{h\nu}{c}</math>

כאשר <math>\vec {k}</math> הוא [[וקטור גל|וקטור הגל]] (שגודלו הוא <math>\ k = \frac{2 \pi}{\lambda}</math>). כיוון ה-<math>\vec {p}</math> מצביע לכיוון התקדמותו של הפוטון.

לעומת זאת, ה[[ספין (פיזיקה)|ספין]] של הפוטון אינו תלוי בתדירותו. גודל הספין הוא <math>\ \sqrt{2} \hbar </math> ורכיבו הנמדד בכיוון התנועה חייב להיות <math>\ \pm\hbar</math>, כאשר [[סימן (אריתמטיקה)|פלוס]] מתאים לספין "מעלה" ו[[סימן (אריתמטיקה)|מינוס]] לספין "מטה". שתי אפשרויות אלו מתאימות לשני מצבי ה[[קיטוב מעגלי|קיטוב המעגלי]] של הפוטון (קיטוב ימני וקיטוב שמאלי).

כאשר חלקיק וה[[אנטי-חלקיק]] שלו [[איון (פיזיקה)|מתאיינים]], חייבים להיווצר לפחות שני פוטונים. ב[[מערכת ייחוס|מערכת הייחוס]] ביחס ל[[מרכז המסה]] של החלקיקים המתנגשים, אין להם תנע כולל, בעוד שלפוטון יחיד תמיד יש תנע (מאחר שהוא תלוי, כאמור, בתדירות או באורך הגל בלבד, והם אינם אפס). לכן, [[חוק שימור התנע]] דורש כי ייווצרו לפחות שני פוטונים, והתנע הכולל שלהם במערכת יהיה זהה לשל החלקיקים, כלומר אפס. ניתן לקבוע את התדירות והאנרגיה של שני החלקיקים באמצעות חוק השימור של ארבע תנע{{ביאור|'''ארבע תנע''' הוא ההכללה של ה[[תנע]] ה[[מרחב תלת־ממדי|תלת־ממדי]] הרגיל לארבעת הממדים של [[היקום]] לפי [[תורת היחסות]], המכונים יחדיו [[מרחב-זמן]]. מכיוון שהתנע הוא [[וקטור (פיזיקה)|וקטור]] ב[[מרחב (פיזיקה)|מרחב]], הוא [[4-וקטור|ארבע וקטור]] במרחב-זמן.}} פרשנות נוספת גורסת כי הפוטון יכול להיחשב כאנטי-חלקיק של עצמו. התהליך ההפוך לזה שתואר לעיל, [[יצירת זוג]], הוא אחד המנגנונים שגורמים לפוטונים באנרגיה גבוהה, כמו [[קרני גמא]], לאבד אנרגיה בעת שהם עוברים דרך חומר.

את הנוסחאות לאנרגיה ולתנע של [[קרינה אלקטרומגנטית]] ניתן לבטא מחדש במונחים של פוטונים. לדוגמה, [[לחץ קרינה|לחץ הקרינה]] של קרינה אלקטרומגנטית על עצם נובע מהעברת התנע של הפוטונים למשטח הפגיעה. כאשר מחשבים את התנע ליחידת זמן ויחידת [[שטח]] מקבלים יחידות של [[לחץ]].

העובדה שלפוטון יש תנע זכתה למגוון רחב של יישומים. ב[[מלקחיים אופטיים]] ניתן להחזיק כדורי [[זכוכית]] קטנים בעזרת קרן [[לייזר]] הממוקדת לנקודה במרחב. עקרון הפעולה של מלקחיים אלו מבוסס על כך שהפוטונים הנשברים בכניסה וביציאה מכדור הזכוכית, מעבירים לכדור תנע הדוחף אותו לכיוון המוקד של קרן הלייזר. כמו כן, טכניקות של [[קירור באמצעות לייזרים|קירור אטומים על ידי לייזר]] מבוססות גם הן על כך שאטומים הבולעים פוטונים מקבלים תנע, היכול לשמש לקירורם.

==דואליות גל-חלקיק ועקרון אי-הוודאות==
פוטונים מקיימים [[דואליות גל-חלקיק]], כלומר מראים הן תכונות של גלים והן תכונות של חלקיקים, בהתאם לסוג הניסוי{{הערה|[https://photonterrace.net/en/photon/duality/ דואליו גל-חלקיק], אתר photonterrace.net}}. הפוטון מציג תופעות [[גל]]יות, כגון [[עקיפה]] ו[[התאבכות]], בקנה המידה של אורך הגל שלו. פוטון יחיד העובר ב[[ניסוי שני הסדקים]] פוגע במסך ב[[התפלגות]] הנקבעת לפי תבנית ההתאבכות המתאימה ל[[משוואות מקסוול]]. אף על פי כן, ניסויים ממחישים כי שהפוטון אינו פעימה קצרה של גל אלקטרומגנטי, בדומה לפעימות של [[גל (מים)|גלי ים]] או [[גל קול|גלי קול]]; הוא אינו מתפרש בחלל בעת תנועתו, ואינו מתחלק לשניים כאשר הוא נתקל ב[[מפצל קרניים]]. במקום זאת, נראה הפוטון כ[[חלקיק נקודתי]], מאחר שהוא נפלט או נבלע בשלמותו על ידי מערכות קטנות באופן שרירותי, קטנות בהרבה מאורך הגל שלו. דוגמאות למערכות כאלה הן [[גרעין האטום]], אשר קוטרו הוא מסדר גדול של [[פמטומטר]] אחד, או אפילו ה[[אלקטרון]], שמקיים דואליות גל-חלקיק בעצמו. למרות זאת, הפוטון אינו חלקיק נקודתי שמסלולו נקבע באופן הסתברותי על ידי ה[[שדה אלקטרומגנטי|שדה האלקטרומגנטי]], כפי שסברו בעבר. הנחה זו הופרכה אף היא על ידי הניסויים המתוארים בסוף הפסקה הקודמת. לפי גישות מודרניות, [[המודל הסטנדרטי]] רואה בפוטונים [[בוזון כיול|בוזני כיול]] של הכוח האלקטרומגנטי{{הערה|[https://www.hep.ucl.ac.uk/undergrad-projects/3rdyear/photons-at-HERA/guage.htm  Gauge boson exchange ], אתר hep.ucl.ac.uk}}.

[[קובץ:Heisenberg gamma ray microscope.png|ממוזער|200px|שמאל|[[ניסוי מחשבתי|הניסוי המחשבתי]] של [[ורנר הייזנברג|הייזנברג]] שבו מוצאים את מיקומו של [[אלקטרון]] (בכחול) באמצעות מיקרוסקופ קרני גמא בהפרדה גבוהה. [[קרני גמא|קרן הגמא]] הנכנסת (בירוק) מפוזרת על ידי האלקטרון והקרן המפוזרת (באדום) נכנסת אל פתח המיקרוסקופ, בעל זווית θ. ה[[אופטיקה]] הקלאסית מראה כי מיקומו של האלקטרון יכול להיקבע רק עד אי-ודאות Δx אשר תלויה בזווית θ ובאורך הגל λ של האור.]]

יסוד עיקרי ב[[מכניקת הקוונטים]] הוא [[עקרון אי-הוודאות]] של [[ורנר הייזנברג|הייזנברג]], אשר לפיו לא ניתן למדוד בו-זמנית את המיקום ואת התנע של חלקיק בכיוון מסוים. למעשה, עקרון אי-הוודאות עבור חלקיקים חומריים טעונים מחייב את הקוונטיזציה של האור לפוטונים, וכן את התלות של האנרגיה והתנע של הפוטון בתדירותו. המחשה לכך ניתן למצוא ב[[ניסוי מחשבתי|ניסוי המחשבתי]] של הייזנברג, בו מוצאים את מיקומו של אלקטרון באמצעות מיקרוסקופ אידיאלי (ראו מסגרת). מיקום האלקטרון יכול להיקבע רק עד רמת ההפרדה הזוויתית של המיקרוסקופ, אשר ניתנת באמצעות הנוסחה הבאה מתחום ה[[אופטיקה]] הקלאסית:

<math>\Delta x \sim \frac{\lambda}{\sin \theta}</math>

כאשר <math>{\lambda}</math> הוא אורך הגל של האור ו<math>\ \theta</math> היא זווית הפתח במיקרוסקופ. מנוסחה זו נובע כי אי-הוודאות במיקום <math>\ \Delta x</math> יכולה להיות קטנה ככל הנדרש באמצעות הקטנת אורך הגל <math>\ \lambda</math>. בתנע של האלקטרון איננו יכולים להיות בטוחים, מאחר שהוא קיבל "פעימה" <math>\ \Delta p</math> מהאור שפגע בו והתפזר אל תוך המיקרוסקופ. אם האור לא היה בדיד, אי-הוודאות <math>\ \Delta p</math> הייתה יכולה להיעשות קטנה ככל הנדרש על ידי הקטנת עוצמת האור. במקרה זה, מאחר שניתן לשלוט באורך הגל ובעוצמת האור באופן בלתי-תלוי, ניתן למדוד את המיקום והתנע של האלקטרון במידת דיוק גדולה ככל הנדרש, וזוהי הפרה של [[עקרון אי הוודאות]]. לעומת זאת, הנוסחה של איינשטיין לתנע של הפוטון משמרת את עקרון אי הוודאות: מאחר שהפוטון עשוי להתפזר בכל מקום, אי-הוודאות בתנע שהועברה שווה ל-

<math>\Delta p \sim p_{\mathrm{photon}} \sin\theta = \frac{h}{\lambda} \sin\theta</math>

ומכאן נובע היחס <math>\ \Delta x \Delta p \, \sim \, h</math>, הוא עקרון אי-הוודאות של הייזנברג. מכאן, היקום כולו הוא בדיד; הן החומר והן השדות חייבים לציית למערכת עקבית של חוקים קוונטיים, ולא ייתכן שרק אחד מהם יהיה בדיד והשני לא.

עקרון אי-ודאות נוסף קובע כי לא ניתן למדוד בו זמנית את המספר <math>\ n</math> של פוטונים בגל אלקטרומגנטי ואת המופע <math>\ \phi</math> של אותו גל:

<math>\Delta n \Delta \phi > 1</math>
למידע נוסף, ראו [[מצבים קוהרנטיים]].

ב[[ניסוי שני הסדקים]] נוצרת תבנית [[התאבכות]] הן במקרה של פוטונים והן במקרה של חלקיקים חומריים כגון אלקטרונים. כאשר מדובר בפוטונים, זוהי תבנית התאבכות הנובעת מ[[משוואת הגל האלקטרומגנטי]] של מקסוול, ואילו כאשר מדובר בחלקיקים חומריים, זוהי תבנית התאבכות הנובעת מ[[משוואת שרדינגר]]. אומנם דמיון זה עשוי לגרום לנו לחשוב כי [[משוואות מקסוול]] הן פשוט משוואת שרדינגר במקרה הפרטי של פוטונים, אך רוב הפיזיקאים אינם סבורים כך. ראשית, קיימים הבדלים מתמטיים; ההבדל הברור ביותר הוא כי את המשוואה (היחידה) של שרדינגר פותרים ב[[שדה (פיזיקה)|שדה]] [[מספר מרוכב|מרוכב]], ואילו את (ארבעת) המשוואות של מקסוול פותרים בשדה [[מספר ממשי|ממשי]]. באופן כללי יותר, המושג של [[פונקציית גל]] [[אמפליטודת הסתברות|הסתברותית]] אינו ישים לגבי פוטונים. מאחר שלפוטונים אין מסה, לא ניתן להגבילם למקום מסוים מבלי להשמיד אותם; בצורה טכנית יותר, לפוטונים לא יכול להיות [[מצב עצמי]] <math>\ |\mathbf{r} \rangle</math> הקובע את המיקום, ומכאן עקרון אי הוודאות הרגיל של הייזנברג <math>\ \Delta x \Delta p > h/2</math> אינו תקף לגבי פוטונים. מספר פונקציות גל חלופיות הוצעו בעבר עבור הפוטון, אך אף אחת מהן לא נמצאת בשימוש נפוץ. במקום זאת, הפיזיקאים מקבלים את תאוריית הקוונטיזציה השנייה של הפוטונים המתוארת להלן, [[אלקטרודינמיקה קוונטית]], ובה הפוטונים הם עירורים בדידים של מצבים אלקטרומגנטיים.

==מודל בוז-איינשטיין לגז פוטונים==
ב-[[1924]], הוכיח הפיזיקאי [[סאטינדרה נאת בוז]] את חוק פלאנק ל[[קרינת גוף שחור]] ללא כל שימוש באלקטרומגנטיות, אלא באמצעות התאמה של תהליך מסוים ב[[מרחב מופע]]. איינשטיין הראה כי התאמה זו שקולה להנחה כי הפוטונים הם זהים לחלוטין, הנחה שמרמזת על קיומה של "אינטראקציה לא מקומית מסתורית", שכיום מבינים אותה כדרישה ל[[חלקיקים זהים|מצב קוונטי סימטרי]]. גילויים אלו הובילו להגדרת המושג [[מצבים קוהרנטיים]], ולפיתוחו של ה[[לייזר]]. בנוסף, הרחיב איינשטיין את ההוכחה של בוז לחלקיקים חומריים ([[בוזונים]]), וניבא כי הם [[התעבות|יתעבו]] למצב הקוונטי הנמוך ביותר שלהם בטמפרטורות נמוכות מספיק. תופעה זו, [[עיבוי בוז-איינשטיין]], נצפתה בניסוי ב-[[1995]]. השימוש במילה "עיבוי" בהקשר זה הוא אנלוגיה לתהליך ה[[עיבוי]], שבו חומר רגיל עובר ממצב צבירה [[גז]] ל[[נוזל]].

על מנת לאפשר [[סופרפוזיציה]] של [[שדה אלקטרומגנטי|שדות אלקטרומגנטים]], המצב בו [[משוואות מקסוול]] הן ליניאריות, על הפוטונים לפעול לפי [[התפלגות בוז-איינשטיין]]. כל החלקיקים נחלקים ל[[בוזונים]] - בעלי [[ספין (פיזיקה)|ספין]] שלם, ול[[פרמיונים]], בעלי ספין לא שלם שהוא כפולה של {{שבר פשוט|1|2}}. [[משפט ספין-סטטיסטיקה]] מראה כי כל הבוזונים מצייתים להתפלגות בוז-איינשטיין, ואילו כל הפרמיונים מצייתים ל[[התפלגות פרמי-דיראק]], או, באופן שקול, ל[[עקרון האיסור של פאולי]]. עקרון האיסור קובע כי שני פרמיונים זהים אינם יכולים להימצא באותו מצב קוונטי בו-זמנית. מכאן, אם הפוטון היה פרמיון, רק פוטון אחד היה יכול לנוע בכיוון מסוים בזמן נתון, וזאת בסתירה לתצפית הניסויית שלפיה לייזרים מסוגלים לייצר אור קוהרנטי, שבו פוטונים רבים נעים באותו כיוון בדיוק. מכאן, הפוטון חייב להיות בוזון ולציית להתפלגות בוז-איינשטיין. (ראו גם: [[גז בוז]]).

==אינטראקציה בין פוטונים לחומר==
על פי התמונה הקלאסית, כלומר על פי [[משוואות מקסוול]], האור מורכב משדות חשמליים ומגנטיים המתנדנדים בזמן. משום כך, כאשר אור עובר בקרבת חומר [[מטען חשמלי|טעון]] הוא גורם לו להתנדנד. בתהליך זה, עוברת אנרגיה מהאור לחומר ונוצרת בליעה של אור. באותו אופן יכול להתרחש גם התהליך ההפוך: מטענים טעונים המשנים את מהירותם יוצרים שדות חשמליים ומגנטיים משתנים, ולפיכך פולטים אור. תהליכים אלו תוארו לראשונה באופן תאורטי על ידי [[ג'יימס מקסוול]] ואוששו באופן ניסיוני לראשונה על ידי [[היינריך רודולף הרץ]].

התמונה הקוונטית של אותם תהליכים היא, שכאשר פוטון עובר בקרבת מערכת קוונטית, כגון [[אטום]], הוא יכול [[בליעת אור|להיבלע]], בעוד המערכת עוברת למצב קוונטי גבוה יותר, בהתאם לאנרגיה של הפוטון. התהליך ההפוך הוא שמערכת יורדת ממצב מעורר למצב נמוך יותר, תוך כדי פליטת פוטון. תהליכים אלו הם חד-פוטוניים, והם יוצרים את מגוון התופעות שנחקרות במסגרת ה[[אופטיקה]] הליניארית. בנוסף, ישנו מגוון רחב של תהליכים שבהם מעורב יותר מפוטון אחד (תהליכים רב-פוטוניים), ואלה יוצרים את התופעות של ה[[אופטיקה לא ליניארית|אופטיקה הלא ליניארית]].

===בליעה ופליטה של פוטון בודד - יצירת הספקטרום האלקטרומגנטי===
כאמור, כאשר פוטון עובר בקרבת מערכת קוונטית הוא יכול להיבלע בה, בתנאי שאנרגיית הפוטון מתאימה לאנרגיה של מעבר רמות בתוך החומר. חלקים שונים של [[הספקטרום האלקטרומגנטי]] מתאימים לסוגים שונים של עירורים של החומר. להלן מספר דוגמאות:
*[[גלי רדיו]] (אורך גל 1 קילומטר - 1 סנטימטר) - גלים אלו מתאימים ל[[פלזמון|פלזמונים]] המתארים תנודה של [[אלקטרון|אלקטרונים]] בתוך [[מתכת|מתכות]].
*[[קרינה תת-אדומה]] (אורך גל 1 מילימטר - 750 [[ננומטר]]) - קרינה זו מתאימה לעירור של רוטציות ויברציות ב[[מולקולה|מולקולות]].
*[[אור נראה]] ו[[קרינה אולטרה סגולה]] (אורך גל 750 ננומטר - 10 ננומטר) - קרינה זו מתאימה למעברים אלקטרוניים ב[[אטום|אטומים]] ובמולקולות.
*[[קרני רנטגן]] (אורך גל 10 ננומטר - 5 [[פיקומטר]]) - מתאימה ל[[יינון]] של מולקולות.
*[[קרני גמא]] (אורך גל קטן מ-5 פיקומטר) - [[פיזיקה גרעינית]] (עירורים שונים המתרחשים בתוך גרעין האטום), תהליכי [[יצירת זוג]] (בהם נבלע פוטון ונוצר חלקיק ו[[אנטי חלקיק]] שלו, כמו יצירת אלקטרון ו[[פוזיטרון]]).

===האופטיקה הליניארית===
תהליכים אלו של בליעה ופליטה של אור אחראים לתופעות השייכות לתחום האופטיקה הליניארית, כגון בליעה של אור (בחומרים שאינם שקופים), [[פיזור]] אור ו[[החזרת אור]] כתוצאה מפליטה, וכן האטה של [[מהירות האור]] הנע בתוך חומר היוצרת את אפקט ה[[שבירה]] של האור. בתופעות אלו נעשה שימוש באופטיקה על מנת ליצור [[מראה|מראות]] ו[[עדשה|עדשות]], המשמשות למגוון רחב של יישומים הכוללים [[טלסקופ]]ים, [[מיקרוסקופ]]ים, [[משקפיים]], וכדומה.

מקורות אור, כמו [[נורה|נורות]] ועדשות, מבוססים על תופעת ה[[פליטה ספונטנית|פליטה הספונטנית]]. בנורות חשמל רגילות, כמו גם ב[[כוכב]]ים, החום הגדול של [[חוט להט|חוט הלהט]] גורם לכך שהאטומים בחוט מעוררים, ופולטים את האנרגיה שלהם בצורת פוטונים, הנפלטים בספקטרום הנקרא [[קרינת גוף שחור]]. בנורות [[ניאון]], או בנורות שמבוססות על [[גז]]ים אחרים, נעשה שימוש בהתפרקויות חשמליות על מנת לעורר את האטומים לרמות גבוהות, וכתוצאה מכך נפלט אור בתדרים המאפיינים את האטומים בגז.

כפי שצוין, לפוטונים יש לא רק אנרגיה אלא גם [[תנע]], ולכן אטום הבולע או הפולט אור מקבל גם "דחיפה" בכיוון או נגד הכיוון שבו נפלט האור. על בסיס תופעה זו הומצאו שיטות ל[[קירור]] אטומים באמצעות אור. שיטות אלו איפשרו קירור אטומים לטמפרטורה הקרובה ל[[האפס המוחלט|אפס המוחלט]] והביאו לשורה של תגליות, כגון [[שעון אטומי|שעונים אטומיים]], יצירתם של גלי חומר ושל [[עיבוי בוז-איינשטיין]] ותופעות אחרות.

===תופעות מסדרים גבוהים יותר - אופטיקה לא ליניארית===
בנוסף לבליעה ולפליטה של פוטון בודד, יכולים להתרחש תהליכים בהם מעורב מספר רב יותר של פוטונים.

אור יכול לבלוע שני פוטונים במקביל אם סכום האנרגיות שלהם מתאים ל[[רמת אנרגיה|מעבר רמה]] בתוך האטום. תהליך זה אסור משיקולי סימטריה בחומר [[איזוטרופיות|איזוטרופי]], אך קורה במצבים שבהם ה[[סימטריה]] נשברת. השימוש העיקרי בתהליך זה הוא ב[[גביש]]י הכפלה, המשמשים להכפלת [[תדר]] האור היוצא מ[[לייזר]]ים. התופעה ההפוכה גם היא אפשרית - אטום מעורר יכול לדעוך לרמת היסוד על ידי פליטה של שני פוטונים שסכום האנרגיות שלהם שווה למעבר הרמה שלו. תופעה זו משמשת לבנייה של לייזרים מסוג OPO, שהם לייזרים שניתן לשלוט בנקל על [[אורך גל|אורך הגל]] שלהם. לתופעה זו יש גם שימושים רבים ב[[אופטיקה קוונטית]], כפי שיוסבר בהמשך.

[[תופעת רמן]] היא תופעה שבה שני פוטונים בעלי אנרגיות שונות פוגעים ב[[מולקולה]] וגורמים לה לעלות לרמה גבוהה ומיד אחר-כך לרדת לרמה נמוכה השונה מרמת היסוד. באופן זה המולקולה בולעת אנרגיה כוללת השווה להפרש האנרגיות של שני האטומים, וכך, לדוגמה, ניתן לחקור רמות ויברציה של מולקולות בעזרת שני פוטונים באורכי גל של ה[[אור נראה|אור הנראה]], במקום בעזרת פוטונים [[תת-אדום|תת-אדומים]].

התהליך הלא ליניארי החשוב ביותר הוא תהליך שבו שני פוטונים נבלעים ופוטון אחד נפלט בו זמנית. תהליך זה נקרא [[תופעת קר]] (Kerr effect). תהליך זה איננו אסור משיקולי סימטריה, ולכן הוא מתרחש, אם כי בסבירות נמוכה (ולכן ניתן להבחין בו רק כאשר עוצמת האור גבוהה מאוד) בכל מעבר שהוא של אור בחומר. התוצאה של תהליך זה היא ש[[מקדם שבירה|מקדם השבירה]] של האור בחומר תלוי בעוצמת האור הפוגע.

תהליכים לא ליניאריים נוספים הם תהליכים של יצירת הרמוניות גבוהות. משיקולי סימטריה, כל מספר אי-זוגי של פוטונים יכול להיבלע בו-זמנית, וכך ניתן להמיר מספר רב של פוטונים לפוטון אחד בעל אנרגיה השווה לסך האנרגיות של הפוטונים הנבלעים. באופן עקרוני, ככל שמעורבים בתהליך יותר פוטונים, כך ההסתברות לתהליך קטנה יותר, ולכן, כדי ליצור הרמוניות גבוהות יותר ויותר, יש להשתמש בעוצמת אור גבוהה מאוד. אולם, בסוף [[שנות ה-80 של המאה ה-20]] התגלה כי באור בעל עוצמה גדולה מאוד ניתן ליצור, באופן פשוט יחסית, הרמוניות גבוהות מאוד, כתוצאה מתהליך שבו הפוטונים [[יינון|מייננים]] את האטומים, מאיצים את האלקטרונים וגורמים להם להתנגש שוב באטום - ולפלוט את כל האנרגיה שהאלקטרונים צברו. תהליך זה משמש, בין השאר, לייצור של פולסים קצרים במיוחד של לייזר, שנמשכים כמה עשרות [[תחיליות במערכת היחידות הבין-לאומית#אטו|אטו]]-שניות בודדות (1 אטו-שנייה = 10<sup>−18</sup> שניות).

==פליטה מאולצת וספונטנית==
{{ערך מורחב|משוואות הקצב של איינשטיין}}
[[קובץ:StimulatedemissionHe.png|ממוזער|400px|שמאל|[[פליטה מאולצת]] (בה פוטונים "משכפלים" את עצמם) נחזתה על ידי איינשטיין באנליזה הקינטית שלו, והובילה לפיתוחו של ה[[לייזר]]. עבודתו של איינשטיין הובילה להתפתחויות חדשות במודל הקוונטי של האור, והן בתורן הובילו לפרשנות הסטטיסטית של מכניקת הקוונטים.]]

ב-[[1916]] הראה איינשטיין כי מחוק פלאנק עולה קשר בין התדירויות שבהן אטומים פולטים וקולטים פוטונים. מצב זה נובע מההנחה כי האור נפלט ונבלע על ידי אטומים בצורה בלתי תלויה, וכן כי באינטראקציות עם האטומים נשמר שיווי המשקל התרמודינמי. בחלל הנמצא ב[[שיווי משקל תרמודינמי]] ומכיל [[קרינה אלקטרומגנטית]] ואטומים שיכולים לפלוט ולקלוט את הקרינה, דורש שיווי המשקל התרמודינמי כי מספר הפוטונים ליחידת נפח <math>\ \rho(\nu)</math> בעלי תדירות <math>\ \nu</math> יהיה קבוע לאורך זמן. מכאן, קצב הפליטה של פוטונים בתדירות זו חייב להיות שווה לקצב הקליטה שלהם.

איינשטיין שיער כי הקצב <math>\ R_{ji}</math> שבו המערכת קולטת פוטון בתדירות <math>\ \nu</math> ועוברת מרמת אנרגיה נמוכה <math>\ E_{j}</math> לרמת אנרגיה גבוהה יותר <math>\ E_{i}</math> הוא יחסי למספר <math>\ N_{j}</math> של המולקולות עם אנרגיה <math>\ E_{j}</math> והמספר ליחידת נפח <math>\ \rho(\nu)</math> של פוטונים בתדירות זו המקיפים אותן, כך שמתקיימת הנוסחה הבאה:

:<math>\ 
R_{ji} = N_{j} B_{ji} \rho(\nu) \!
</math>
כאשר <math>\ B_{ji}</math> הוא קבוע הקצב של הקליטה.

איינשטיין שיער גם, בתעוזה רבה יותר, כי הקצב ההפוך <math>\ R_{ij}</math>, שבו המערכת פולטת פוטון בתדירות <math>\ \nu</math> ועוברת מרמת אנרגיה גבוהה <math>\ E_{i}</math> לרמת אנרגיה נמוכה יותר <math>\ E_{j}</math> מורכב משני ביטויים:

:<math>\ 
R_{ij} = N_{i} A_{ij} + N_{i} B_{ij} \rho(\nu) \!
</math>

כאשר <math>\ A_{ij}</math> הוא קבוע הקצב של [[פליטה ספונטנית|פליטת פוטון בצורה ספונטנית]], ו-<math>\ B_{ij}</math> הוא קבוע הקצב של פליטת פוטון בתגובה לפוטונים שבסביבה ([[פליטה מאולצת]]).

המודל הקינטי הפשוט שתיאר איינשטיין נתן תמריץ משמעותי למחקר, מאחר שהוא היה הפרשנות הסטטיסטית הראשונה לאירועים קוונטים שמעורבים בהם חלקיקים בודדים. איינשטיין הצליח להראות כי <math>\ B_{ij} = B_{ji}</math>, כלומר קבועי הקצב של פליטה וקליטה מאולצת, הם שווים. בנוסף, הוא הראה כי

:<math>\ 
A_{ij} = \frac{8 \pi h \nu^{3}}{c^{3}} B_{ij}
</math>

איינשטיין לא יכול היה להצדיק את משוואות הקצב שלו בצורה מלאה, מאחר שאת <math>\ A_{ij}</math> ו-<math>\ B_{ij}</math> היה ניתן לגזור אך ורק ממה שהוא כינה "התאמה של מכניקה ואלקטרודינמיקה להנחה הקוונטית". במכניקת הקוונטים, היחסים בין קבועי הקצב הם תוצאה של הצורה הפשוטה של אברי ה[[מטריצה]] למיקום ולתנע של [[מתנד הרמוני]], מאחר שהשדה האלקטרומגנטי הוא אוסף של מתנדים הרמוניים.

[[פול דיראק]] הסיק את קבוע הקצב <math>\ B_{ij}</math> ב-[[1926]] באמצעות שימוש במודל "חצי-קלאסי", וב-[[1927]] הסיק את כל קבועי הקצב מעקרונות ראשוניים. עבודתו של דיראק היוותה את היסוד לאלקטרודינמיקה הקוונטית, שהיא הקוונטיזציה של השדה המגנטי. הגישה של דיראק נקראת גם "קוונטיזציה שנייה" או [[תורת השדות הקוונטית]]. הטיפולים המוקדמים יותר התייחסו רק אל החלקיקים החומריים כקוונטים, ולא לשדה האלקטרומגנטי עצמו.

איינשטיין הוטרד מהעובדה כי התאוריה שלו נראתה בלתי שלמה, מאחר שהיא לא קבעה את כיוון תנועתם של הפוטונים הנפלטים באופן ספונטני. טבעה ההסתברותי של תנועת חלקיקי האור שוער לראשונה על ידי [[אייזק ניוטון]] במסגרת טיפולו ב[[שבירה כפולה]], ובאופן כללי יותר, בפיצול קרני האור במשטחים לקרן פוגעת ולקרן מוחזרת. ניוטון הניח כי משתנים חבויים בחלקיק האור קובעים את מסלולו. בדומה, איינשטיין קיווה לתאוריה שלמה יותר שלא תשאיר מקום למקריות, ומשום כך סירב לקבל את מכניקת הקוונטים ובהדרגה הפסיק לעבוד עליה. באופן אירוני, [[אמפליטודת הסתברות|הפרשנות ההסתברותית]] של [[פונקציית הגל]], שפיתח [[מקס בורן]], קיבלה את השראתה מחיפושיו המאוחרים יותר של איינשטיין אחר תאוריה שלמה יותר, ובאופן ספציפי יותר, מניסיונותיו לבנות תאוריית "שדה-רפאים" שבה פוטונים נקודתיים מונחים בצורה הסתברותית על ידי שדות-רפאים הפועלים לפי משוואות מקסוול.

==הלייזר==
{{ערך מורחב|לייזר}}
גילויו של מנגנון הפליטה המאולצת על ידי איינשטיין הוביל לרעיון לפיו ניתן לבצע הגברה של אור. בתהליך הפליטה המאולצת, גורם פוטון אחד להיווצרותו של פוטון נוסף, וכך נוצרת הכפלה של אור. רעיון זה עומד בבסיס אחת ההמצאות הטכנולוגיות החשובות של המאה ה-20, ה[[לייזר]].

הלייזר מבוסס על ייצור של [[היפוך אוכלוסין]] - מצב שבו רוב האטומים נמצאים במצב מעורר. באופן זה, כשפוטון פוגע באחד מהאטומים הוא מוכפל כתוצאה מפליטה מאולצת. הפוטונים המתקבלים מוכפלים אף הם, וכך הלאה. כאשר תהליך זה מתבצע בתוך [[מהוד אופטי]]{{ביאור|1=מהוד אופטי הוא מתקן ובו שתי [[מראה|מראות]], אשר דרך אחת מהן יש אפשרות לחלק קטן מהפוטונים להימלט. מרחקן של המראות זו מזו מתאים לאורך הגל הרצוי. רוב הפוטונים נעים הלוך ושוב בתוך המהוד, כך שהם יכולים לגרום לעוד ועוד פליטות מאולצות. הפוטונים שנמלטים דרך אחת המראות הם אלה שיוצרים את קרן הלייזר.}} מתקבלת כמות עצומה של פוטונים, שנמצאים באותו מצב קוונטי (בעלי אותו אורך גל, אותו קיטוב ואותו כיוון). תגלית זו זכתה למספר רב של יישומים טכנולוגיים הכוללים צייני לייזר, מכשירי [[ריתוך בלייזר]], תקשורת אופטית, ועוד.

הלייזר הביא לפריצת דרך ב[[אופטיקה]] ולייסוד האופטיקה המודרנית.

==קוונטיזציה שנייה==
ב-[[1910]] הראה [[פטר דביי]] כי ניתן להסיק את חוק פלאנק ל[[קרינת גוף שחור]] מתוך הנחה פשוטה למדי. הוא פירק את [[שדה אלקטרומגנטי|השדה האלקטרומגנטי]] בתוך חלל ל[[אופני תנודה עצמיים]], והניח כי האנרגיה בכל אופן תנודה היא כפולה שלמה של hν, כאשר ν היא התדירות. חוק פלאנק לקרינת גוף שחור נובע מיד כסכום גאומטרי. למרות זאת, הגישה של דביי לא הצליחה להניב את הנוסחה הנכונה לשינויים באנרגיה של קרינת גוף שחור, אותה גילה איינשטיין שנה קודם לכן.

ב-[[1925]] נתנו [[מקס בורן|בורן]], [[ורנר הייזנברג|הייזנברג]] ו[[פסקואל יורדן|יורדן]] פרשנות חדשה וחשובה לרעיון של דביי. כפי שניתן להראות באמצעות התאוריה הקלאסית, אופני התנודה של השדה האלקטרומגנטי - קבוצה שלמה של גלים מישוריים המסומנים לפי וקטור הגל '''k''' ומצב הקיטוב שלהם - שקולים לקבוצה של [[מתנד הרמוני|מתנדים הרמוניים פשוטים]] חופשיים. בתאוריה הקוונטית, רמות האנרגיה של המתנדים הן E = nhν, כאשר ν היא תדירות המתנד. החידוש העיקרי היה בזיהוי של אופן תנודה אלקטרומגנטי בעל אנרגיה E = nhν כמצב ובו n פוטונים, כל אחד מהם בעל אנרגיה hν. גישה זו מניבה את הנוסחה הנכונה לשינויים באנרגיה.

[[פול דיראק|דיראק]] עשה צעד נוסף קדימה: הוא התייחס לאינטראקציה בין מטען ושדה אלקטרומגנטי כהפרעה קטנה אשר גורמת לשינויים במצבי הפוטונים ובמספר הפוטונים באופן התנודה, אך משמרת את האנרגיה והתנע הכולל. כאמור בסעיף הקודם, דיראק הסיק את קבועי הקצב <math>\ A_{ij}</math> ו-<math>\ B_{ij}</math> של איינשטיין מעקרונות ראשוניים, והראה כי התפלגות בוז-איינשטיין של הפוטונים היא תוצאה טבעית של קוונטיזציה נכונה של השדה האלקטרומגנטי. גישה זו היא הפוכה לזו של בוז עצמו, אשר קיבל את חוק פלאנק לקרינת גוף שחור מתוך התפלגות בוז-איינשטיין (ולא להפך). בזמנו של דיראק, עדיין לא היה ידוע כי כל הבוזונים, ולא רק הפוטונים, חייבים לציית להתפלגות בוז-איינשטיין.

[[תורת ההפרעות (מכניקת הקוונטים)|תורת ההפרעות]] מסדר שני של דיראק עשויה לכלול [[חלקיק וירטואלי|פוטונים וירטואליים]] - מצבי-ביניים ארעיים של השדה האלקטרומגנטי. הפוטונים הווירטואליים מתווכים באינטראקציות ה[[חוק קולון|חשמליות]] וה[[מגנטיות]] הסטטיות. ב[[תורת השדות הקוונטית|תורות קוונטיות של השדות]] כגון אלה, [[אמפליטודת הסתברות|אמפליטודת ההסתברות]] של אירועים נצפים מחושבת על ידי חיבור כל מצבי-הביניים האפשריים, אפילו אלה שאינם פיזיקליים. מכאן, פוטונים וירטואליים אינם מוכרחים לקיים את הנוסחה E = pc, ועשויים להיות להם מצבי [[קיטוב]] נוספים: שלושה או ארבעה מצבים כאלה (תלוי בכיול), במקום שניים בלבד בפוטונים אמיתיים. אף על פי שהפוטונים הווירטואליים אינם ברי-גילוי בניסוי, הם תורמים במידת-מה להסתברויות של אירועים. למעשה, חישובים הפרעתיים מסדר שני וגבוה יותר עשויים לתרום במידה אינסופית לסכום, ובכך לגרום לתוצאות שאינן פיזיקליות אשר ניתן לתקנן באמצעות [[רנורמליזציה]]. חלקיקים וירטואליים נוספים עשויים לתרום לסכום גם הם: לדוגמה, שני פוטונים עשויים לקיים אינטראקציה ביניהם באמצעות זוגות וירטואליים של [[אלקטרון]] ו[[פוזיטרון]]. המילה "וירטואליים" מציינת כי החלקיקים מתאיינים לאחר פרק זמן קצר מספיק על-מנת ש[[עקרון אי הוודאות]] "יפצה" על ההפרה של חוקי שימור האנרגיה והתנע.

בסימון מודרני, [[מצב קוונטי|המצב הקוונטי]] של שדה אלקטרומגנטי נכתב כ[[מכפלה טנזורית]] של המצבים של כל אחד מאופני התנודה האלקטרומגנטים:
:<math>\ |n_{k_0}\rangle\otimes|n_{k_1}\rangle\otimes\dots\otimes|n_{k_n}\rangle\dots</math>
כאשר <math>\ |n_{k_i}\rangle</math> מייצג את המצב בו <math>\ n_{k_i}</math> פוטונים נמצאים באופן תנודה <math>\ k_i</math>. בסימון זה, יצירתו של פוטון חדש (למשל פליטתו בעת מעבר אנרגיה באטום) באופן תנודה <math>\ k_i</math> נכתב בצורה <math>\ |n_{k_i}\rangle \rightarrow |n_{k_i}+1\rangle</math>. הסימון נועד לבטא את הרעיון של בורן, הייזנברג ויורדן שצוין לעיל, ואינו מחדש שום דבר מבחינה פיזיקלית.

==שזירה: פוטונים כנושאי מידע קוונטי==
היתרון הגדול של הפורמליזם של הקוונטיזציה השנייה הוא, שהיא מאפשרת להתייחס בצורה נכונה לשזירה בין פוטונים. על פי תורת הקוונטים חלקיקים יכולים להיות במצבים [[שזירה קוונטית|שזורים]] (entangled) – כלומר, מקרים בהם מצב של חלקיק אחד תלוי במצב של חלקיקים אחרים, ומדידה של אחד מהם משפיעה על המצב של האחרים. דוגמה למצב כזה הוא מצב שבו שני פוטונים נמצאים ב[[סופרפוזיציה קוונטית]] של שני מצבים: מצב בו שניהם בקיטוב מאונך, ומצב בו שניהם נמצאים בקיטוב מאוזן. מצב זה מסומן בקוונטיזציה שנייה באופן הבא:
:<math>{1 \over \sqrt{2}} \bigg( |0\rangle_A \otimes |1\rangle_B - |1\rangle_A \otimes |0\rangle_B \bigg)</math>

כאשר 0 או 1 מציינים קיטוב אופקי או אנכי, ו-A,B מציינים את שני הפוטונים. כאשר שני פוטונים נמצאים במצב כזה, אזי במדידה של הקיטוב של כל אחד מהם יש סיכוי של חצי שהקיטוב יהיה אופקי או מקביל, אבל במקרה שהקיטוב של אחד נמדד כאנכי אזי בהכרח הקיטוב של השני גם הוא יהיה אנכי.

ה[[אופטיקה קוונטית|אופטיקה הקוונטית]] היא תחום מחקר בפיזיקה החוקר את תכונות השיזור בין הפוטונים. ישנם מספר שיטות ניסיוניות המאפשרות ליצור זוגות של פוטונים שזורים, שהמקובלת ביותר מביניהם היא על ידי שימוש בהמרה אופטית כלפי מטה (optical down conversion). בתהליך זה פוטון העובר דרך [[גביש]] נבלע ונפלטים שני פוטונים אשר סכום האנרגיות שלהם שווה לאנרגיה של הפוטון המקורי. הפוטונים המתקבלים שזורים זה בזה.

אופטיקה קוונטית הועלתה גם כאפשרות ליישום מערכות של חישובים קוונטיים. תחום המידע הקוונטי וה[[חישוב קוונטי|חישובים הקוונטיים]] החל ברעיון של [[ריצ'רד פיינמן]] לפיו ביצוע של חישובים במערכות שזורות, דומה לביצוע מספר רב של חישובים במקביל. בעקבות רעיון זה נמצאו אכן במהרה מספר [[אלגוריתם|אלגוריתמים]] המאפשרים ביצוע פעולות חישוב בעזרת חישובים קוונטיים, בצורה מהירה הרבה יותר מאשר חישובים במחשבים קלאסיים - כולל אלגוריתם לפירוק מהיר של מספר לרכיבים ראשוניים. בעקבות עבודות תאורטיות אלו החל מאמץ גדול ליישם מחשבים קוונטיים, והועלו מספר רב של מערכות כמועמדים למחשבים קוונטיים הכוללות [[MRI]], מלכודות יונים, נקודות קוונטיות (quantum dots) וכן שיטות אופטיות. רעיונות אחרים הנוגעים לשימושים במידע קוונטי הם [[הצפנה קוונטית]] ו[[טלפורטציה]]. [[הצפנה]] קוונטית מסתמכת על כך שבתורת הקוונטים, מדידה משפיעה על המצב של מערכת. על בסיס הרעיון הזה הומצאו פרוטוקולים של התקשרות באמצעות מידע קוונטי המבטיחים שאם גורם כלשהו מנסה להאזין להתקשרות, ניתן יהיה להבחין בכך. טלפורטציה קוונטית, שמקורה ב[[פרדוקס EPR]] (איינשטיין פודולסקי רוזן) מקורה ברעיון לפיו ניתן ליצור חלקיקים השזורים זה בזה ולהביא אותם למרחק רב זה מזה, ולאחר מכן ביצוע פעולות על אחד מהם ישפיע גם על השני. בדרך זו ניתן, תאורטית, להעביר אינפורמציה על פני מרחקים גדולים במהירות רבה.

יתרונם של פוטונים כנושאי מידע קוונטי הוא בכך שהאינטראקציה בינם לסביבה קטנה ביותר, ומשום כך מידע קוונטי המאוחסן בפוטונים יהיה עמיד מאוד ל[[דה-קוהרנטיות קוונטית|רעש]] (decoherence). משום כך פוטונים נחשבים ככלי מועדף להעברה של מידע קוונטי על פני מרחקים גדולים, דבר הנחוץ בשביל [[תקשורת קוונטית]] ובשביל [[טלפורטציה קוונטית]]. אך יתרון זה הוא גם חיסרון: מכיוון שהאינטראקציה בין פוטונים לבין הסביבה קטנה מאוד, קשה מאוד לבצע על פוטונים פעולות חישוב, וכן קשה מאוד לייצר מצבים בהם מספר רב של פוטונים שזורים.

==הפוטון כבוזון כיול==
את [[שדה אלקטרומגנטי|השדה האלקטרומגנטי]] ניתן להבין כ[[שדה כיול]], כלומר שדה הנובע מהדרישה ל[[סימטריה]] בלתי-תלויה בכל נקודה ב[[מרחב-זמן]]. סימטריית הכיול של השדה האלקטרומגנטי היא [[חבורה אוניטרית|סימטריית U(1)]]&lrm; [[חבורה אבלית|אבלית]] של [[מספר מרוכב]], אשר משקפת את היכולת לשנות את ה[[מופע]] של מספר מרוכב בלי לשנות את ה[[מספר ממשי|מספר הממשי]] הנובע ממנו, כגון [[אנרגיה]] או ה[[לגראנז'יאן]].

הערכים הקטנים ביותר של שדה כיול אבלי חייבים להיות [[בוזון|בוזונים]] חסרי [[מסה]] ומטען, כל עוד הסימטריה אינה שבורה; מכאן נוכל להסיק כי הפוטון יהיה חסר מסה, בעל [[מטען חשמלי]] אפס ו[[ספין (פיזיקה)|ספין]] שלם. במקרה הספציפי של [[הכוח האלקטרומגנטי]], לפוטון צריך להיות ספין ±1, ולכן הרכיב שלו שנמדד בכיוון התנועה חייב להיות <math>\ \pm\hbar</math>. שתי האפשרויות (פלוס ומינוס) מתאימות לשני מצבי [[קיטוב מעגלי|הקיטוב המעגלי]] של הפוטון (ימני ושמאלי). לפוטונים הווירטואליים (אשר תוארו בסעיף הקודם) עשויים להיות מצבי קיטוב נוספים, לא-פיזיקליים.

ב[[המודל הסטנדרטי|מודל הסטנדרטי]] של [[פיזיקת החלקיקים]], הפוטון הוא אחד מארבעה [[בוזון כיול|בוזוני הכיול]] של [[הכוח האלקטרו-חלש]]. [[בוזוני W ו-Z|השלושה האחרים]] מסומנים <span dir="ltr">W<sup>+</sup></span>, <span dir="ltr">W<sup>-</sup></span> ו-<span dir="ltr">Z<sup>0</sup></span> והם אחראים לפעולתו של [[הכוח החלש]]. שלא כמו הפוטון, לבוזוני הכיול האחרים יש [[מסת מנוחה]], מכיוון ש[[חבורה אוניטרית מיוחדת|סימטריית הכיול SU(2)]]&lrm; שלהם שבורה. איחוד הפוטון עם בוזוני הכיול W ו-Z במסגרת הכוח האלקטרו-חלש בוצע על ידי [[שלדון לי גלשאו]], [[עבדוס סלאם]] ו[[סטיבן ויינברג]], ובזכותו הם קיבלו את פרס נובל לפיזיקה ב-[[1979]]. הפיזיקאים ממשיכים לנסות למצוא [[תאוריה מאוחדת גדולה]] אשר תאחד בין ארבעת בוזוני הכיול המוזכרים לעיל לבין שמונת ה[[גלואון|גלואונים]] המתוארים ב[[כרומודינמיקה קוונטית|כרומודינמיקה הקוונטית]] - אך ניבויים חשובים של התאוריות הללו, כגון [[התפרקות פרוטון]], לא נצפו בניסוי.

==תרומות למסה של מערכת==
מערכת הפולטת פוטון מאבדת כמות אנרגיה השווה לאנרגיה E של הפוטון, כפי שנמדדה במערכת הייחוס שבה נמצאת המערכת הפולטת במנוחה. איבוד האנרגיה שקול לאיבוד מסה בכמות E / c<sup>2</sup>. בדומה, בליעת פוטון שקולה לרכישת מסה בכמות מתאימה.

קונספט זה מעורב בתחזית חשובה של [[אלקטרודינמיקה קוונטית|האלקטרודינמיקה הקוונטית]]. התאוריה מצליחה לחזות את [[מומנט דיפול מגנטי|מומנט הדיפול המגנטי]] של [[לפטון|לפטונים]] ברמת דיוק גבוהה במיוחד; מדידות ניסיוניות של מומנט הדיפול המגנטי תאמו את התחזיות בצורה מושלמת. התחזיות דורשות להביא בחשבון את התרומה של פוטונים וירטואליים למסה של הלפטון. דוגמה נוספת לתרומה כזו אשר אושרה בניסוי היא [[הסחת לם]] אשר נצפה ב[[המבנה העל-דק|מבנה העל-דק]] של זוגות לפטונים קשורים, כגון [[מיואוניום]] ([[אטום אקזוטי]] המורכב מ[[מיואון|אנטי-מיואון]] ו[[אלקטרון]]) ו[[פוזיטרוניום]] (אטום אקזוטי המורכב מאלקטרון ו[[פוזיטרון]]).

מאחר שפוטונים תורמים ל[[טנזור המאמץ והאנרגיה]], הם מפעילים [[כבידה|משיכה כבידתית]] על עצמים אחרים, לפי [[תורת היחסות הכללית]]. גם להפך, הפוטונים עצמם מושפעים מהכבידה; מסלוליהם, הישרים בדרך כלל, עשויים להתעקם על ידי [[מרחב-זמן]] מעוקם (עובדה ששימשה כהוכחה הראשונה לנכונותה של תורת היחסות הכללית), תופעה הבאה לידי ביטוי ב[[עידוש כבידתי]]. כמו כן, תדירותם עשויה להפוך נמוכה יותר (לעבור [[הסחה לאדום]]) על ידי מעבר ל[[אנרגיה פוטנציאלית|פוטנציאל כבידתי]] גבוה יותר, כגון ב[[ניסוי פאונד-רבקה]]. אפקטים אלו אינם ייחודיים למודל הפוטונים; אותם אפקטים בדיוק נחזים על ידי המודל הקלאסי של [[קרינה אלקטרומגנטית|גל אלקטרומגנטי]].

==פוטונים בחומר==
[[קובץ:RetinalCisandTrans.png|250px|שמאל|ממוזער|מולקולת [[רטינל]] מתיישרת לאחר בליעת פוטון (γ) באורך גל מתאים.]]
אור שעובר דרך [[חומר]] שקוף נע במהירות נמוכה ממהירות האור ב[[ריק]]. לדוגמה, פוטונים חווים התנגשויות רבות כל כך בדרכם מ[[ליבת השמש]], שעשויות לעבור מיליון שנה עד שהם יגיעו אל פני השטח; אך ברגע שהם הגיעו לחלל הפתוח, הם יעברו את המרחק עד [[כדור הארץ]] ב-8.3 דקות בלבד. הגורם בו מוקטנת המהירות נקרא [[מקדם שבירה|מקדם השבירה]] של החומר. לפי מודל הגל הקלאסי, ניתן להסביר את ההאטה בכך שהאור יוצר [[פולריזציה|קיטוב חשמלי]] בחומר, החומר המקוטב מקרין אור חדש, והאור החדש יוצר [[התאבכות]] עם גל האור הישן וגורם לעיכובו. הסבר נוסף הוא שבתור קרינה אלקטרומגנטית, מהירות התפשטותו של גל האור נתונה על ידי [[משוואות מקסוול]]: <math>\ v = 1/ \sqrt{\varepsilon \mu}</math> כאשר <math>\ \varepsilon</math> הוא [[המקדם הדיאלקטרי]] ו-<math>\ \mu</math> הוא [[מקדם הפרמביליות]]. בחומר, מקדמים אלה שונים מערכם בוואקום, ולכן מהירות הפוטון שונה. במודל החלקיקי, ניתן לתאר את ההאטה כערבוב של הפוטון עם עירורים קוונטים של החומר ([[דמוי-חלקיק]]ים כגון [[פונון|פונונים]] ו[[אקסיטון|אקסיטונים]]) ליצירת [[פולריטון]]; לפולריטון יש [[מסה אפקטיבית]] שונה מאפס, ולכן אינו יכול לנוע במהירות ''c''. אור בתדירויות שונות עשוי לנוע בחומר ב[[מהירות משתנה של האור|מהירויות שונות]]; אפקט זה נקרא [[נפיצה]]. מהירות ההתפשטות של הפולריטון, <math>\ v</math>, זהה ל[[חבילת גלים|מהירות החבורה]] שלו, שהיא ה[[נגזרת]] של האנרגיה לפי התנע:

:<math>\ 
v = \frac{d\omega}{dk} = \frac{dE}{dp}
</math>

כאשר <math>\ E</math> ו-<math>\ p</math> הם האנרגיה וגודל התנע של הפולריטון, ו-<math>\ \omega</math> ו-<math>\ k</math> הם [[תדירות זוויתית|התדירות הזוויתית]] ו[[מספר הגל]] בהתאמה. במקרים מסוימים, הנפיצה עשויה לגרום לאור לנוע במהירות [[אור איטי|איטית מאוד]] בחומר. בתוצאות האינטראקציה של הפוטון עם דמוי-חלקיקים אחרים ניתן לצפות באופן ישיר בתהליכי [[פיזור רמן]] ו[[פיזור ברילואי]].

פוטונים עשויים [[בליעת אור|להיבלע]] על ידי אלקטרונים באטומים ובמולקולות, ולגרום לשינויים [[רמת אנרגיה|ברמות האנרגיה]] שלהם. דוגמה קלאסית לכך היא התהליך המולקולרי ב[[רטינל]] (C<sub>20</sub>H<sub>28</sub>O, ראו תמונה משמאל), המולקולה שאחראית על ה[[מערכת הראייה|ראייה]]. תהליך זה נתגלה ב-[[1958]] על ידי ה[[ביוכימיה|ביוכימאי]] זוכה פרס נובל [[ג'ורג' ואלד]] ועמיתיו. כפי שניתן לראות, בליעת הפוטון גורמת ל[[איזומריות ציס-טראנס]] אשר, בשילוב עם תהליכים אחרים, מתורגמת לאותות עצביים. בליעת הפוטונים עשויה אפילו לפרק קשרים כימיים, למשל ב[[פוטוליזה]] של [[כלור]]; בתהליכים כאלה עוסקת ה[[פוטוכימיה]].

==יישומים טכנולוגיים==
לפוטונים יישומים רבים בטכנולוגיה. בדוגמאות שלהלן נבחרו יישומים של מודל הפוטונים עצמו, ולא יישומים אופטיים כלליים שהיו מתאימים גם למודל הגלי הקלאסי. ה[[לייזר]] הוא דוגמה ליישום חשוב במיוחד (ראו [[פוטון#פליטה מאולצת וספונטנית|למעלה]]).

בפוטונים בודדים ניתן להבחין באמצעות מספר שיטות. שפופרת [[מכפיל אור|מכפילת אור]] מנצלת את [[האפקט הפוטואלקטרי]]: פוטון שפוגע בלוח מתכת פולט אלקטרון, וגורם לתגובת שרשרת גוברת והולכת של אלקטרונים. שבבי [[CCD]] משתמשים באפקט דומה ב[[מוליך למחצה|מוליכים למחצה]]: פוטון מייצר מטען שניתן לגלותו על [[קבל]] מיקרוסקופי. גלאים אחרים כגון [[מונה גייגר]] משתמשים ביכולת של פוטון [[יינון|ליינן]] מולקולות גז, וכך לגרום לשינוי ב[[מוליכות חשמלית|מוליכות]] שניתן להבחין בו.

נוסחת פלאנק-איינשטיין, E = hν, משמשת לעיתים קרובות מהנדסים וכימאים, גם על מנת לחשב את השינוי באנרגיה כתוצאה מבליעת פוטון וגם כדי לחזות את תדירות האור שנפלט ממעבר אנרגיה מסוים. לדוגמה, את [[ספקטרום פליטה|ספקטרום הפליטה]] של [[נורת פלואורסצנט]] ניתן לקבוע על ידי שימוש במולקולות גז בעלות רמות אנרגיה שונות, והתאמת האנרגיה הטיפוסית של האלקטרונים הפוגעים במולקולות הגז שבתוך הנורה.

בתנאים מסוימים, אף על פי שלפוטון יחיד אין מספיק אנרגיה כדי לעורר מעבר אנרגיה, ניתן לעשות זאת באמצעות שני פוטונים כאלה. שיטה זו מאפשרת מיקרוסקופיה בהפרדה גבוהה, מאחר שהדגימה בולעת אנרגיה רק באזורים בהם שתי קרניים מצבעים שונים חופפות בצורה משמעותית, ואזור החפיפה עשוי להיות קטן בהרבה מאזור הפגיעה של קרן יחידה (ראו [[מיקרוסקופ דו-פוטוני]]). יתרון נוסף הוא ששני הפוטונים גורמים פחות נזק לדגימה, מאחר שהם בעלי אנרגיה קטנה יותר בהשוואה לפוטון יחיד.

ישנם מקרים בהם שני מעברי אנרגיה עשויים להיקשר כך שבעוד מערכת אחת קולטת פוטון, מערכת אחרת "גונבת" את האנרגיה שלו ופולטת מחדש פוטון בתדירות שונה. זהו הבסיס לשיטת [[העברת אנרגיה לפי פרסטר]] אשר משמשת למדידת מרחקים ברמה המולקולרית.

==מחקר נוכחי==
כיום סבורים שטבעו היסודי של הפוטון ידוע ומובן מבחינה תאורטית: לפי [[המודל הסטנדרטי]], הפוטון הוא בוזון כיול בעל ספין 1, ללא מסה וללא מטען, הנובע מ[[חבורה אוניטרית|סימטריית הכיול U(1)]]&lrm; ומתווך באינטראקציות אלקטרומגנטיות. למרות זאת, הפיזיקאים ממשיכים לחפש אי-התאמות בין התאוריה והניסוי, בתקווה למצוא רמזים לתאוריות אפשריות אשר ירחיבו את המודל הסטנדרטי. בפרט, פיזיקאים ניסיוניים ממשיכים להגדיר גבולות עליונים טובים יותר ויותר למטען והמסה של הפוטון: אם יתגלה ערך שונה מאפס לאחד מהערכים האלו, תהא זו הפרה חמורה של המודל הסטנדרטי. בכל זאת, כל המידע הניסיוני שנאסף עד עתה מצביע על כך שלפוטון מטען ומסה אפס. הגבולות העליונים המקובלים כיום למטען ולמסה של הפוטון הם <span dir="ltr">5×10<sup>−52</sup></span> [[קולון]] (או <span dir="ltr">3×10<sup>−33</sup></span> כפול [[מטען אלמנטרי|המטען האלמנטרי]]) ו-<span dir="ltr">1.1×10<sup>−52</sup></span> [[קילוגרם]] (או <span dir="ltr">1×10<sup>−22</sup></span> כפול מסת האלקטרון), בהתאמה.

מחקר רב נערך בנושא היישום של פוטונים ב[[אופטיקה קוונטית]]. פוטונים הם מועמדים מתאימים לתפקיד הגורמים ב[[מחשב קוונטי]], ו[[שזירה קוונטית]] בפוטונים היא מוקד למחקר רב. [[אופטיקה לא ליניארית]] היא תחום מחקר פעיל נוסף, ובו נושאים כגון קליטה דו-פוטונית, [[מודולציית מופע עצמית]] ו[[מתנד פרמטרי אופטי]]. למרות זאת, תהליכים כאלה בדרך כלל אינם דורשים את הנחת קיומם של הפוטונים כשלעצמה; לעיתים קרובות ניתן להסביר אותם באמצעות התייחסות לאטומים כאל מתנדים לא ליניארים. התהליך הלא-ליניארי של [[המרת SPDC]] משמש לעיתים קרובות ליצירת מצבים של פוטון יחיד. לבסוף, פוטונים הם חיוניים בהיבטים מסוימים של [[תקשורת אופטית]], ובמיוחד [[הצפנה קוונטית]].

==לקריאה נוספת==
*{{פא"ר|מספר=403|שם הספר=יסודות הפיזיקה ב (כרך 7)|כותב=פרופ' קירש יורם, בן-יעקב מיכל|שנה=1998}}

<div style="direction: ltr">
*{{cite journal | last = Clauser | first = JF. | year = 1974 | title = Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect | journal = Phys. Rev. D | volume = 9 | pages = 853–860 | doi = 10.1103/PhysRevD.9.853}}
*{{cite journal | last1 = Kimble | first1 = HJ | author2 = Dagenais M. | author3 = Mandel L. | year = 1977 | title = Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence | journal = Phys. Rev. Lett. | volume = 39 | pages = 691–695 | doi = 10.1103/PhysRevLett.39.691}}
*{{cite journal | last1 = Grangier | first1 = P | author2 = Roger G. | author3 = Aspect A. | year = 1986 | title = Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences | journal = Europhysics Letters | volume = 1 | pages = 501–504 | doi = 10.1209/0295-5075/1/4/004}}
*{{cite journal | last1 = Thorn | first1 = JJ | author2 = Neel MS |author3 = Donato VW |author4 = Bergreen GS |author5 = Davies RE |author6 = Beck M. | year = 2004 | title = Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory | journal = American Journal of Physics | volume = 72 | pages = 1210–1219 | doi = 10.1119/1.1737397}}
*[http://people.whitman.edu/~beckmk/QM/grangier/grangier.html Proof of the Existence of Photons (the Grangier Experiment)]
*{{cite book | last = Pais | first = A. | authorlink = Abraham Pais | year = 1982 | title = Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein | publisher = Oxford University Press }}
*{{cite web | url = http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2005/glauber-lecture.html| title = Roy Glauber's Nobel Lecture, “100 Years of Light Quanta”}}
*{{cite journal | last = Lamb | first = WE | authorlink = Willis Lamb | year = 1995 | title = Anti-photon | journal = Applied Physics B | volume = 60 | pages = 77–84 | doi = 10.1007/BF01135846}}
*Special supplemental issue of ''Optics and Photonics News'' (vol. 14, October 2003)
**{{cite journal | last1 = Roychoudhuri | first1 = C | author2 = Rajarshi R | title = The nature of light: what is a photon? | journal = Optics and Photonics News | volume = 14 | pages = S1 (Supplement)}}
**{{cite journal | last = Zajonc | first = A | title = Light reconsidered | journal = Optics and Photonics News | volume = 14 | pages = S2–S5 (Supplement)}}
**{{cite journal | last = Loudon | first = R | title = What is a photon? | journal = Optics and Photonics News | volume = 14 | pages = S6–S11 (Supplement)}}
**{{cite journal | last = Finkelstein | first = D | title = What is a photon? | journal = Optics and Photonics News | volume = 14 | pages = S12–S17 (Supplement)}}
**{{cite journal | last1 = Muthukrishnan | first1 = A | author2 = Scully MO |author3 = Zubairy MS | title = The concept of the photon—revisited | journal = Optics and Photonics News | volume = 14 | pages = S18–S27 (Supplement)}}
**{{cite journal | last1 = Mack | first1 = H | author2 = Schleich WP | title = A photon viewed from Wigner phase space | journal = Optics and Photonics News | volume = 14 | pages = S28–S35 (Supplement)}}
</div>

==קישורים חיצוניים==
{{מיזמים|ויקימילון=פוטון}}
* {{דוידסון|ארז גרטי|חלקיקי החומר – הפוטון|maagarmada/physics/חלקיקי-החומר-–-הפוטון|4 ביולי 2011}}
* {{בריטניקה}}
* {{דף שער בספרייה הלאומית|987007543630305171|פוטונים}}

==ביאורים==
{{ביאורים}}

==הערות שוליים==
{{הערות שוליים}}

{{ערך מומלץ}}

{{חלקיקים}}
{{המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:בוזונים]]
[[קטגוריה:קרינה אלקטרומגנטית]]
[[קטגוריה:אור]]