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光子

2016-11-05  代马依北风

光量子,简称光子,是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体,而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子有速度、能量、动量、质量,这意味着其在真空中的传播速度是光速。但现代物理量子粒子学发展到今,人们发现每一中粒子物质的存在都有它们的反粒子的特性,因此,光子也应当在能量的驱导下,在特定的空间维度环境下也应当有凝聚,这个凝聚应是一种质体量子能荷的凝聚,单质碳基原子可能就是“光子的凝聚”。

基本信息

  • 中文名:光子
  • 外文名:Photon
  • 别称:光量子
  • 提出者:爱因斯坦(A.Einstein)
  • 提出时间:1905~1917
  • 应用学科:实验和理论物理学
  • 适用领域范围:光化学,以及分子间距的测量
  • 适用领域范围:双光子激发显微技术

理论发展

爱因斯坦正在加载爱因斯坦

光子的概念是爱因斯坦在1905年至1917年间提出的,当时被普遍接受的关于光是电磁波的经典电磁理论无法解释光电效应等实验现象。相对于当时的其他半经典理论在麦克斯韦方程的框架下将物质吸收和发射光的能量量子化,爱因斯坦首先提出光本身就是量子化的,这种光量子(英语:light quantum,德语:das Lichtquant)被称作光子。这一概念的形成带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展,例如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计诠释、量子光学和量子计算等。根据粒子物理的标准模型,光子是所有电场和磁场的产生原因,而它们本身的存在,则是满足物理定律在时空内每一点具有特定对称性要求的结果。光子的内秉属性,例如质量、电荷、自旋等,则是由规范对称性所决定的。2014年发现‘光子’也凝聚,2015年联合国教科文组织将‘2015年命名为“光子之年”,这年将大量的探索光子,光量子,激光子的质能特性。

1905年,年轻的科学家爱因斯坦发展了普朗克的量子说。他认为,电磁辐射在本质上就是一份一份不连续的,无论是在原子发射和吸收它们的时候,还是在传播过程中都是这样。爱因斯坦称它们为“光量子”,简称“光子”,并用光量子说解释了光电效应,这成为爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖的主要理由。其后,康普顿散射进一步证实了光的粒子性。它表明,不仅在吸收和发射时,而且在弹性碰撞时光也具有粒子性,是既有能量又有动量的粒子。如此,光就既具有波动性(电磁波),也具有粒子性(光子),即具有波粒二象性。后来,德布罗意又将波粒二象性推广到了所有的微观粒子。
光子具有能量ε=hν和动量p=hν∕c,是自旋为1的玻色子。它是电磁场的量子,是传递电磁相互作用的传播子。原子中的电子在发生能级跃迁时,会发射或吸收能量等于其能级差的光子。正反粒子相遇时将发生湮灭,转化成为几个光子。光子本身不带电,它的反粒子就是它自己。光子的静止质量为零,在真空中永远以光速c运动,而与观察者的运动状态无关。由于光速不变的特殊重要性,成为建立狭义相对论的两个基本原理之一。
与其他量子一样,光子具有波粒二象性:光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质(关于光子的波动性是经典电磁理论描述的电磁波的波动还是量子力学描述的几率波的波动这一问题请参考下文波粒二象性和不确定性原理);而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的波那样可以传递任意值的能量,光子只能传递量子化的能量,即: 这里是普朗克常数,是光波的频率。对可见光而言,单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳,这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子,从而引起视觉。除能量以外,光子还具有动量和偏振态,不过由于有量子力学定律的制约,单个光子没有确定的动量或偏振态,而只存在测量其位置、动量或偏振时得到对应本征值的几率。2014年科学家发现光子在特质空间下会凝聚,这就是光子的粒子特质相态,使得光量子在场能凝聚相中可以被测量,因为‘光粒子凝聚’可测量性,2015年,联合国教科文组织将2015年命名为“光子之年”。
光子的概念也应用到物理学外的其他领域当中,如光化学、双光子激发显微技术,以及分子间距的测量等。在当代相关研究中,光子是研究量子计算机的基本元素,也在复杂的光通信技术,例如量子密码学等领域有重要的研究价值。
能量光子是一种超物质,不易于被利用。
从光到光子到“光粒子”到十八世纪为止的大多数理论中,光被描述成由无数微小粒子组成的物质。由于微粒说不能较为容易地解释光的折射、衍射和双折射等现象,笛卡尔(1637年) 、胡克(1665年)和惠更斯(1678年)等人提出了光的(机械)波动理论;但在当时由于牛顿的权威影响力,光的微粒说仍然占有主导地位。十九世纪初,托马斯·杨和菲涅尔的实验清晰地证实了光的干涉和衍射特性,到1850年左右,光的波动理论已经完全被学界接受。1865年,麦克斯韦的理论预言光是一种电磁波,证实电磁波存在的实验由赫兹在1888年完成,这似乎标志着光的微粒说的彻底终结。
然而,麦克斯韦理论下的光的电磁说并不能解释光的所有性质。例如在经典电磁理论中,光波的能量只与波场的能量密度(光强)有关,与光波的频率无关;但很多相关实验,例如光电效应实验,都表明光的能量与光强无关,而仅与频率有关。类似的例子还有在光化学的某些反应中,只有当光照频率超过某一阈值时反应才会发生,而在阈值以下无论如何提高光强反应都不会发生。
与此同时,由众多物理学家进行的对于黑体辐射长达四十多年(1860-1900)的研究因普朗克建立的假说而得到终结,普朗克提出任何系统发射或吸收频率为\nu\,th>的电磁波的能量总是E = h\nu\,的整数倍。爱因斯坦由此提出的光量子假说则能够成功对光电效应作出解释,爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的理论先进性在于,在麦克斯韦的经典电磁理论中电磁场的能量是连续的,能够具有任意大小的值,而由于物质发射或吸收电磁波的能量是量子化的,这使得很多物理学家试图去寻找是怎样一种存在于物质中的约束限制了电磁波的能量只能为量子化的值;而爱因斯坦则开创性地提出电磁场的能量本身就是量子化的 。爱因斯坦并没有质疑麦克斯韦理论的正确性,但他也指出如果将麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中到一个个运动互不影响的光量子上,很多类似于光电效应的实验能够被很好地解释。在1909年和1916年,爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立,则电磁波的量子必须具有p=\frac{\lambda}的动量,以赋予它们完美的粒子性。光子的动量在1926年由康普顿在实验中观测到 ,康普顿也因此获得1927年的诺贝尔奖。2014年在中国发现‘光子粒子的---光粒子相态’图例图文:
爱因斯坦等人的工作证明了光子的存在,随之而来的问题是:如何将麦克斯韦关于光的电磁理论和光量子理论统一起来呢?爱因斯坦始终未能找到统一两者的理论,但如今这个问题的解答已经被包含在量子电动力学和其后续理论:标准模型中。
能量光子从注定上来说是创造光和能量的,也是释放光和能量的。  

起源

ε光子起源

早在1900年,M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设,物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的,一份一份的,每一份的能量为hν;1905年阿尔伯特·爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性,爱因斯坦称之为光量子;1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应,从而光量子概念被广泛接受和应用,1926年正式命名为光子。

根据计算:

中子的质量:1.674927211(84)×10?2? 千克;中子的半径:1.11337557(48)费米;

质子的质量:1.672621637(83)×10^-27 千克;质子的半径:1.11286448(48)费米;

电子的质量:9.10938215(45)×10^-31千克;电子的半径:0.090880914(40)费米;

光子的质量:9.347543(38)×10^-36 千克;光子的半径:0.0031349374(29)费米。

光子的能量:4.200577(17)×10?1?焦耳,2.621794(11)电子伏特,频率:6.339470(26)×10^14 赫兹,波长:472.8983(20)纳米,正好位于青蓝色的光的波长的中心位置473.5纳米附近。girlfriend

当光的质量大于临界质量时,很容易被电子所吸收或散射;当光的质量小于临界质量时,不太容易被电子所吸收,即很容易被电子很快发射掉;而处于临界质量附近的光子较容易被电子吸收,并向不同方向发射,由此而形成靑蓝色的天空。

特性

量子电动力学确立后,确认光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。带电粒子通过发射或吸收光子而相互作用,正反带电粒子对可湮没转化为光子,它们也可以在电磁场中产生。

光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少正比于光波的频率大小, 频率越高, 能量越高。当一个光子被原子吸收时,就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。

光子具有能量,也具有动量,更具有质量,按照质能方程,E=MC^2=hν,求出M=hν/C^2,

光子由于无法静止,所以它没有静止质量,这儿的质量是光子的相对论质量。

根据量子场论,一对正反粒子可发生湮灭变成一对高能伽马光子,而一对高能伽马光子在高温下亦可发生反应产生一对正反粒子。比如在T=10^15K的温度下可发生光子向质子和中子等重子的转化。

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