En física moderna, el fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. El fotón tiene una masa invariante cero,  y viaja en el vacío con una velocidad constante . Como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo"). Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interactúa con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión.

donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz y es la longitud de onda y  la frecuencia de la onda. Esto difiere de lo que ocurre con las ondas clásicas, que pueden ganar o perder cantidades arbitrarias de energía. Para la luz visible, la energía portada por un fotón es de alrededor de 4×10^–19 julios; esta energía es suficiente para excitar un ojo y dar lugar a la visión.

Además de energía, los fotones llevan también asociado un momento lineal y tienen una polarización. Siguen las leyes de lamecánica cuántica, lo que significa que a menudo estas propiedades no tienen un valor bien definido para un fotón dado. En su lugar se habla de las probabilidades de que tenga una cierta polarización, posición o momento lineal. Por ejemplo, aunque un fotón puede excitar una molécula, a menudo es imposible predecir cuál será la molécula excitada.

La descripción anterior de un fotón como un portador de radiación electromagnética es utilizada con frecuencia por los físicos. Sin embargo, en física teórica, un fotón puede considerarse como un mediador para cualquier tipo de interacción electromagnética.

La discusión sobre la naturaleza de la luz se remonta hasta la antigüedad. En el siglo XVII, Newton se inclinó por una interpretación corpuscular de la luz, mientras que sus contemporáneos Huygens y Hooke apoyaron la hipótesis de la luz como onda. Experimentos de interferencia, como el realizado por Young en el siglo XIX, confirmaron el modelo ondulatorio de la luz.

La idea de la luz como partícula retornó con el concepto moderno de fotón, que fue desarrollado gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein  apoyándose en trabajos anteriores de Planck, en los cuales se introdujo el concepto de cuanto. Con el modelo de fotón podían explicarse observaciones experimentales que no encajaban con el modelo ondulatorio clásico de la luz. En particular, explicaba cómo la energía de la luz dependía de la frecuencia (dependencia observada en el efecto fotoeléctrico) y la capacidad de la materia y la radiación electromagnética para permanecer en equilibrio térmico.

Otros físicos trataron de explicar las observaciones anómalas mediante modelos "semiclásicos", en los que la luz era descrita todavía mediante las ecuaciones de Maxwell, aunque los objetos materiales que emitían y absorbían luz estaban cuantizados. Aunque estos modelos semiclásicos contribuyeron al desarrollo de la mecánica cuántica, experimentos posteriores han probado las hipótesis de Einstein sobre la cuantización de la luz (los cuantos de luz son los fotones).

El concepto de fotón ha llevado a avances muy importantes en física teórica y experimental, tales como la teoría cuántica de campos, el condensado de Bose-Einstein y la interpretación probabilística de la mecánica cuántica, y a inventos como el láser.

De acuerdo con el modelo estándar de física de partículas los fotones son los responsables de producir todos los campos eléctricos y magnéticos, y a su vez son el resultado de que las leyes físicas tengan cierta simetría en todos los puntos del espacio-tiempo. Las propiedades intrínsecas de los fotones (masa invariante y espín) están determinadas por las propiedades de la simetría de Gauge.

Los fotones se aplican a muchas áreas, como la fotoquímica, el microscopio fotónico y la medición de distancias moleculares. Incluso se los ha estudiado como componentes decomputadoras cuánticas y en aplicaciones sofisticadas de comunicación óptica como por ejemplo en criptografía cuántica.

En las Leyes de la radiación térmica

El reconocimiento naturaleza que mi trabajo sobre la radiación térmica ha recibido en los puntos de vista de su antiguo y famoso de la Academia de Ciencias para mí un placer especial para hablar con usted sobre este tema que está de nuevo atrayendo la atención de todos los físicos debido a la dificultad de los problemas . Tan pronto como damos un paso más allá de los límites establecidos de la teoría termodinámica pura, entramos en una región sin caminos que nos enfrentamos con obstáculos que incluso el más astuto de nosotros estamos casi en una pérdida de abordar.

Si, como es la costumbre, hablo sobre todo de mis propias investigaciones, debo decir que tuve la suerte de encontrar que no todo aún no se había recogido en el campo de la teoría general de la radiación termodinámico. El uso de las leyes físicas conocidas, fue posible derivar una ley general de la teoría de la radiación que tiene, bajo el nombre de la ley de desplazamiento, ha aclamado por sus compañeros de trabajo. En la aplicación de la termodinámica a la teoría de la radiación, hacemos uso de los procesos ideales que se han encontrado de manera fructífera en otros lugares. Estos son experimentos mentales cuya realización suele ser impracticable y que, sin embargo, conducir a resultados fiables. Tales deliberaciones sólo pueden llevarse a cabo si se conocen todos los procesos en los que rige por las leyes, los experimentos mentales se basan,,, por lo que el efecto de cualquier cambio puede afirmar con precisión y completamente. Además, que se le permita a idealizar, debemos descuidar todos los fenómenos secundarios no esenciales, mientras que considerando sólo todo indisolublemente conectada con los procesos que se examinan. En la aplicación de la teoría de calor mecánica, este método ha demostrado ser extremadamente fructífera. Helmholtz lo utilizó en la teoría de los flujos de concentración, Van 't Hoff usó en la aplicación de la termodinámica a la teoría de las soluciones. Es necesario, en estas deliberaciones, presuponer la existencia de una llamada membrana semi-permeable que permite el disolvente a pasar, pero no disuelve la sustancia.Aunque es imposible preparar membranas que cumplan estrictamente con este requisito, podemos asumir ellos como sea posible en los procesos ideales, porque las leyes de la Naturaleza no establece límite a la aproximación de semipermeabilidad. Las conclusiones extraídas de estos supuestos, en cualquier caso han sido siempre de acuerdo con la experiencia. En teoría de la radiación, las deliberaciones análogas se pueden hacer si se supone que refleja perfectamente los cuerpos como sea posible en los procesos ideales. Kirchhoff los utilizó para probar su famoso teorema de la constancia de la proporción de las emisiones y la absorción de la energía. Este teorema se ha convertido en uno de los más generales de la teoría de la radiación y expresa la existencia de un cierto equilibrio de temperatura de la radiación. De acuerdo con ello, debe existir, en una cavidad rodeada por cuerpos de igual temperatura, una energía de radiación que es independiente de la naturaleza de los cuerpos. Si en las paredes que rodean esta cavidad se realiza una pequeña abertura a través de la cual los problemas de radiación, se obtiene una radiación que es independiente de la naturaleza del cuerpo emisor, y está totalmente determinado por la temperatura. La misma radiación también sería emitido por un organismo que no refleja ningún rayos, por lo que se designa como completamente negro, y esta radiación se llama radiación de un cuerpo negro o la radiación del cuerpo negro.