光子

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原始稱呼是光量子(light quantum),電磁輻射的量子,傳遞電磁相互作用的規範粒子,記為γ。其靜止量為零,不帶電荷,其能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積,E=hv,在真空中以光速c運行,其自旋為1,是玻色子。早在1900年,M.普朗克解釋黑體輻射能量分布時作出量子假設,物質振子與輻射之間的能量交換是不連續的,一份一份的,每一份的能量為hv;1905年阿爾伯特.愛因斯坦進一步提出光波本身就不是連續的而具有粒子性,愛因斯坦稱之為光量子;1923年A.H.康普頓成功地用光量子概念解釋了X光被物質散射時波長變化的康普頓效應,從而光量子概念被廣泛接受和應用,1926年正式命名為光子。量子電動力學確立後,確認光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子。帶電粒子通過發射或吸收光子而相互作用,正反帶電粒子對可湮沒轉化為光子,它們也可以在電磁場中產生。

光子從雷射的相干光束中出射

光子是光線中攜帶能量的粒子。一個光子能量的多少∝光波的頻率大小, 頻率越高, 能量越高。當一個光子被分子吸收時,就有一個電子獲得足夠的能量從而從內軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的分子就從基態變成了激發態。

光子具有能量,也具有動量,更具有質量,按照質能方程,E=MC^2=HV,求出M=HV/C^2,

光子由於無法靜止,所以它沒有靜止質量,這兒的質量是光子的相對論質量。

光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子,是一種規範玻色子。光子是電磁輻射的載體,而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子相比,光子的靜止質量為零,這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣,光子具有波粒二象性:光子能夠表現出經典波的折射、干涉、衍射等性質;而光子的粒子性則表現為和物質相互作用時不像經典的粒子那樣可以傳遞任意值的能量,光子只能傳遞量子化的能量。對可見光而言,單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳,這樣大小的能量足以激發起眼睛上感細胞的一個分子,從而引起視覺。除能量以外,光子還具有動量和偏振態,但單個光子沒有確定的動量或偏振態。  

目錄

光子與經典電磁理論

命名

光子起初被愛因斯坦命名為光量子 。 光子的現代英文名稱photon源於希臘文 φῶς (在羅馬字下寫為phôs),是由物理化學家吉爾伯特.路易士在他的一個假設性理論中創建的。 在路易士的理論中, photon指的是輻射能量的最小單位,其「不能被創造也不能被毀滅」。 儘管由於這一理論與大多數實驗結果相違背而從未得到公認, photon這一名稱卻很快被很多物理學家所採用。 根據科幻小說作家、科普作家艾薩克.阿西莫夫的記載, 阿瑟.康普頓於1927年首先用photon來稱呼光量子。

在物理學領域,光子通常用希臘字母γ (音: Gamma )表示,這一符號有可能來自由法國物理學家維拉德 ( Paul Ulrich Villard )於1900年發現的伽瑪射線,伽瑪射線由盧瑟福和英國物理學家安德雷德 ( Edward Andrade )於1914年證實是電磁輻射的一種形式。 在化學和光學工程領域,光子經常被寫為h ν ,即用它的能量來表示;有時也用f來表示其頻率,即寫為h f 。

物理性質

用費曼圖表示的正電子 - 負電子散射(也叫做BhaBha散射 ),波浪線表示交換虛光子的過程

參見: 狹義相對論

從波的角度看,光子具有兩種可能的偏振態和三個正交的波矢分量,決定了它的波長和傳播方向;從粒子的角度看,光子靜止質量為零,電荷為零, 半衰期無限長。 光子是自旋為1的規範玻色子,因而輕子數 、 重子數和奇異數都為零。

光子的靜止質量嚴格為零,本質上和庫侖定律嚴格的距離平方反比關係等價,如果光子靜質量不為零,那麼庫侖定律也不是嚴格的平方反比定律。 所有有關的經典理論,如麥克斯韋方程組和電磁場的拉格朗日量都依賴於光子靜質量嚴格為零的假設。 從愛因斯坦的質能關係和光量子能量公式可粗略得到光子質量的上限:M=HV/C^2

這裡M即是光子質量的上限, V是任意電磁波的頻率,位於超低頻段的舒曼共振已知最低頻率約為7.8赫茲。

這個值僅比現在得到的廣為接受的上限值高出兩個數量級。

參見光子:規範玻色子一節中對光子質量的討論。

光子能夠在很多自然過程中產生,例如:在分子、 原子或原子核從高能級向低能級躍遷時電荷被加速的過程中會輻射光子,粒子和反粒子 湮滅時也會產生光子;在上述的時間反演過程中光子能夠被吸收,即分子、原子或原子核從低能級向高能級躍遷,粒子和反粒子對的產生。

在真空中光子的速度為光速,能量 和動量p之間關係為p=E/c; 相對論力學中靜質量為m0的粒子的能量動量關係為E^2=(pc)^2+(m0c^2)^2。

光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關;或者說僅與波長λ有關光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關;或者說僅與波長λ有關 。

從而得到光子的動量大小為 P=h/λ

其中h也叫做狄拉克常數或約化普朗克常數 , k是波矢,其大小也叫做狄拉克常數或約化普朗克常數 ,方向指向光子的傳播方向;?叫做波數 ;? 是角頻率 。 光子本身還攜帶有與其頻率無關的內秉角動量?: 自旋角動量 ?,其大小為光子本身 ,並且自旋角動量在其運動方向上的分量(這一分量在量子場論中被稱作helicity )一定為 ? ,兩種可能的值分別對應著光子的兩種圓偏振態(右旋和左旋)。

從光子的能量、動量公式可導出一個推論:粒子和其反粒子的湮滅過程一定產生至少兩個光子。 原因是在質心系下粒子和其反粒子組成的系統總動量為零,由於動量守恆定律 ,產生的光子的總動量也必須為零;由於單個光子總具有不為零的大小為 的動量,系統只能產生兩個或兩個以上的光子來滿足總動量為零。 產生光子的頻率,即它們的能量,則由能量-動量守恆定律 (四維動量守恆)決定。 而從能量-動量守恆可知,粒子和反粒子湮滅的逆過程,即雙光子生成電子-反電子對的過程不可能在真空中自發產生。

光子具有波粒二象性,即說光子像一粒一粒的粒子的特性又有像聲波一樣的波動性,光子的波動性有光子的衍射而證明,光子的粒子性是由光電效應證明。

上面有人認為光子的動質量為零是錯誤的,光子的靜質量為零,否則的話其動質量將為無窮大。但其動質量卻是存在的,計算方法是這樣的:首先,由於頻率為v的光子的能量為

E=hv,(其中h為普朗克常數),故由質能公式可得其質量為:m=E/c^2=hv/c^2

其中c^2表示光速的平方。該方法由愛因斯坦首先提出。

經典的波有群速度與相速度之分。

光子的速度就是光速。

光子有速度、能量、動量、質量。光子不可能靜止。光子可以變成其它物質(如一對正負電子),但能量守恆、動量守恆。

華中科大羅俊教授重新確定光子靜止質量上限

華中科技大學教授重新確定光子靜止質量上限,有業內人士認為:光子靜止質量為零是經典電磁理論的基本假設之一。但有些科學家則認為,光子可能有靜止質量。如果實驗最終檢測到光子存在靜止質量,那麼有些經典理論將要有所變化。

在2月28日出版的美國《物理學評論快報》(PhysicalReviewLetters) 上,有專文介紹說:「一項由中國科學家羅俊等完成的新的實驗表明,在任何情況下,光子的靜止質量都不會超過10的負54次方千克,這一結果是之前已知的光子質量上限的1/20。」羅俊和他的同事通過一種新穎的實驗方法,在一個山洞實驗室里將光子靜止質量的上限,進一步提高了至少一個數量級。

據悉,如果光子存在靜止質量,雖然不會影響到人們的日常生活,但其產生的後果將是根本性的———例如,光速將隨波長的改變而變化,並且光波將像聲波一樣能夠產生縱向振動。  

量子力學新詮釋:霍金膜上的四維量子論

類似10維或11維的「弦論」=振動的弦、震蕩中的象弦一樣的微小物體。

霍金膜上四維世界的量子理論的近代詮釋(鄧宇等,80年代):

振動的量子(波動的量子=量子鬼波)=平動微粒子的振動;振動的微粒子;震蕩中的象量子(粒子)一樣的微小物體。

波動量子=量子的波動=微粒子的平動+振動

平動+振動

 =矢量和

量子鬼波的DENG'S詮釋:微粒子(量子)平動與振動的矢量和

粒子波、量子波=粒子的震蕩(平動粒子的震動)  

歷史發展

到十八世紀為止的大多數理論中,光被描述成由無數微小粒子組成的物質。由於微粒說不能較為容易地解釋光的折射、衍射和雙折射等現象,笛卡爾(1637年) 、胡克(1665年)和惠更斯(1678年)等人提出了光的(機械)波動理論;但在當時由於牛頓的權威影響力,光的微粒說仍然佔有主導地位。十九世紀初,托馬斯.楊和菲涅爾的實驗清晰地證實了光的干涉和衍射特性,到1850年左右,光的波動理論已經完全被學界接受。1865年,麥克斯韋的理論預言光是一種電磁波,證實電磁波存在的實驗由赫茲在1888年完成,這似乎標誌著光的微粒說的徹底終結。

然而,麥克斯韋理論下的光的電磁說並不能解釋光的所有性質。例如在經典電磁理論中,光波的能量只與波場的能量密度(光強)有關,與光波的頻率無關;但很多相關實驗,例如光電效應實驗,都表明光的能量與光強無關,而僅與頻率有關。類似的例子還有在光化學的某些反應中,只有當光照頻率超過某一閾值時反應才會發生,而在閾值以下無論如何提高光強反應都不會發生。

與此同時,由眾多物理學家進行的對於黑體輻射長達四十多年(1860-1900)的研究因普朗克建立的假說而得到終結,普朗克提出任何系統發射或吸收頻率為\nu\,的電磁波的能量總是E = h\nu\,的整數倍。愛因斯坦由此提出的光量子假說則能夠成功對光電效應作出解釋,愛因斯坦因此獲得1921年的諾貝爾物理學獎。愛因斯坦的理論先進性在於,在麥克斯韋的經典電磁理論中電磁場的能量是連續的,能夠具有任意大小的值,而由於物質發射或吸收電磁波的能量是量子化的,這使得很多物理學家試圖去尋找是怎樣一種存在於物質中的約束限制了電磁波的能量只能為量子化的值;而愛因斯坦則開創性地提出電磁場的能量本身就是量子化的 。愛因斯坦並沒有質疑麥克斯韋理論的正確性,但他也指出如果將麥克斯韋理論中的經典光波場的能量集中到一個個運動互不影響的光量子上,很多類似於光電效應的實驗能夠被很好地解釋。在1909年 和1916年,愛因斯坦指出如果普朗克的黑體輻射定律成立,則電磁波的量子必須具有解析失敗 (句法錯誤): p=\frac{\lambda} 的動量,以賦予它們完美的粒子性。光子的動量在1926年由康普頓在實驗中觀測到 ,康普頓也因此獲得1927年的諾貝爾獎。

愛因斯坦等人的工作證明了光子的存在,隨之而來的問題是:如何將麥克斯韋關於光的電磁理論和光量子理論統一起來呢?愛因斯坦始終未能找到統一兩者的理論,但如今這個問題的解答已經被包含在量子電動力學和其後續理論:標準模型中。  

技術應用

這裡討論的是光子在當今技術中的應用,而不是泛指可在傳統光學下應用的光學儀器(如透鏡)。雷射是二十世紀光學最重要的技術之一,其原理是上文討論的受激輻射。

對單個光子的探測可用多種方法,傳統的光電倍增管利用光電效應:當有光子到達金屬板激發出電子時,所形成的光電流將被放大引起雪崩放電。電荷耦合元件(CCD)應用半導體中類似的效應,入射的光子在一個型電容器上激發出電子從而可被探測到。其他探測器,如蓋革計數器利用光子能夠電離氣體分子的性質,從而在導體中形成可檢測的電流。

普朗克的能量公式E = hν經常在工程和化學中被用來計算存在光子吸收時的能量變化,以及能級躍遷時發射光的頻率。例如在熒光燈的發射光譜的設計中會用不同能級的電子去碰撞氣體分子,直到有合適的能級能夠激發出熒光。

在某些情形下,單獨一個光子無能力激發一個能級的躍遷,而需要有兩個光子同時激發。這就提供了更高解析度的顯微技術,因為樣品只有在兩束不同顏色的光所照射的高度重疊的部分之內才會吸收能量,而這部分的體積要比單獨一束光照射到並引起激發的部分小很多,這種技術被應用於雙光子激發顯微鏡中。而且,應用弱光照射能夠減小光照對樣品的影響。

有時候兩個系統的能級躍遷會發生耦合,即一個系統吸收光子,而另一個系統從中「竊取」了這部分能量並釋放出不同頻率的光子。這是熒光共振能量傳遞的基礎,被應用於測量分子間距中。

量子光學是物理光學中相對於波動光學的另一個分支。光子可能是超快的量子計算機的基本運算元素,而在這方面重點研究的對象是量子糾纏態。非線性光學是當前光學另一個活躍的領域,它研究的課題包括光纖中的非線性散射效應、四波混頻、雙光子吸收、自相位調製、光學參量振蕩等。不過這些課題中並不都要求假設光子的存在,在建模過程中原子經常被處理為一個非線性振子。非線性效應中的自發參量下轉換經常被用來產生單光子態。最後,光子是光通信領域某些方面的關鍵因素,特別是在量子密碼學中。

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