光子

• 概念
• 來歷
• 工作原理
• 命名
• 物理性質(zhì)
• 從光子的能量、動量公式可導(dǎo)出一個(gè)推論
• 光子具有波粒二象性
• 總結(jié)
• 歷史發(fā)展
• 技術(shù)應(yīng)用

 概念

　　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(guī)范粒子，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(yùn)行，其自旋為1，是玻色子。

來歷

　　回目錄早在1900年，M.普朗克解釋黑體輻射能量分布時(shí)作出量子假設(shè)，物質(zhì)振子與輻射之間的能量交換是不連續(xù)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(jìn)一步提出光波本身就不是連續(xù)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(zhì)散射時(shí)波長變化的康普頓效應(yīng)，從而光量子概念被廣泛接受和應(yīng)用，1926年正式命名為光子。

工作原理 　

　　量子電動力學(xué)確立后，確認(rèn)光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子。帶電粒子通過發(fā)射或吸收光子而相互作用，正反帶電粒子對可湮沒轉(zhuǎn)化為光子，它們也可以在電磁場中產(chǎn)生。

　　光子從激光的相干光束中出射光子是光線中攜帶能量的粒子。一個(gè)光子能量的多少∝光波的頻率大小, 頻率越高, 能量越高。當(dāng)一個(gè)光子被分子吸收時(shí),就有一個(gè)電子獲得足夠的能量從而從內(nèi)軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的分子就從基態(tài)變成了激發(fā)態(tài)。

　　光子具有能量，也具有動量，更具有質(zhì)量，按照質(zhì)能方程，E=MC^2=HV,求出M=HV/C^2, 光子由于無法靜止，所以它沒有靜止質(zhì)量，這兒的質(zhì)量是光子的相對論質(zhì)量。

　　光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規(guī)范玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認(rèn)為是電磁相互作用的媒介子。與大多數(shù)基本粒子相比，光子的靜止質(zhì)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(xiàn)出經(jīng)典波的折射、干涉、衍射等性質(zhì)；而光子的粒子性則表現(xiàn)為和物質(zhì)相互作用時(shí)不像經(jīng)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(gè)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(fā)起眼睛上感光細(xì)胞的一個(gè)分子，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動量和偏振態(tài)，但單個(gè)光子沒有確定的動量或偏振態(tài)。

命名

　　光子起初被愛因斯坦命名為光量子 。 光子的現(xiàn)代英文名稱photon源于希臘文 φῶς （在羅馬字下寫為phôs），是由物理化學(xué)家吉爾伯特·路易士在他的一個(gè)假設(shè)性理論中創(chuàng)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(chuàng)造也不能被毀滅”。 盡管由于這一理論與大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相違背而從未得到公認(rèn)， photon這一名稱卻很快被很多物理學(xué)家所采用。 根據(jù)科幻小說作家、科普作家艾薩克·阿西莫夫的記載， 阿瑟·康普頓于1927年首先用photon來稱呼光量子。

　　在物理學(xué)領(lǐng)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(xué)家維拉德 （ Paul Ulrich Villard ）于1900年發(fā)現(xiàn)的伽瑪射線，伽瑪射線由盧瑟福和英國物理學(xué)家安德雷德 （ Edward Andrade ）于1914年證實(shí)是電磁輻射的一種形式。 在化學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域，光子經(jīng)常被寫為h ν ，即用它的能量來表示；有時(shí)也用f來表示其頻率，即寫為h f 。

物理性質(zhì) 　

　　用費(fèi)曼圖表示的正電子 - 負(fù)電子散射（也叫做BhaBha散射 ），波浪線表示交換虛光子的過程。從波的角度看，光子具有兩種可能的偏振態(tài)和三個(gè)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(zhì)量為零，電荷為零， 半衰期無限長。 光子是自旋為1的規(guī)范玻色子，因而輕子數(shù) 、 重子數(shù)和奇異數(shù)都為零。

　　光子的靜止質(zhì)量嚴(yán)格為零，本質(zhì)上和庫侖定律嚴(yán)格的距離平方反比關(guān)系等價(jià)，如果光子靜質(zhì)量不為零，那么庫侖定律也不是嚴(yán)格的平方反比定律。 所有有關(guān)的經(jīng)典理論，如麥克斯韋方程組和電磁場的拉格朗日量都依賴于光子靜質(zhì)量嚴(yán)格為零的假設(shè)。

 　　從愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系和光量子能量公式可粗略得到光子質(zhì)量的上限：M=HV/C^2 這里M即是光子質(zhì)量的上限， V是任意電磁波的頻率，位于超低頻段的舒曼共振已知最低頻率約為7.8赫茲。這個(gè)值僅比現(xiàn)在得到的廣為接受的上限值高出兩個(gè)數(shù)量級。

 　　光子能夠在很多自然過程中產(chǎn)生，例如：在分子、 原子或原子核從高能級向低能級躍遷時(shí)電荷被加速的過程中會輻射光子，粒子和反粒子 湮滅時(shí)也會產(chǎn)生光子；在上述的時(shí)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(chǎn)生。

　　在真空中光子的速度為光速，能量 和動量p之間關(guān)系為p=E/c； 相對論力學(xué)中靜質(zhì)量為m0的粒子的能量動量關(guān)系為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(guān)；或者說僅與波長λ有關(guān)光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關(guān)；或者說僅與波長λ有關(guān)。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(shù)或約化普朗克常數(shù) ， k是波矢，其大小也叫做狄拉克常數(shù)或約化普朗克常數(shù) ，方向指向光子的傳播方向；？叫做波數(shù) ；？ 是角頻率 。 光子本身還攜帶有與其頻率無關(guān)的內(nèi)秉角動量？： 自旋角動量 ？，其大小為光子本身 ，并且自旋角動量在其運(yùn)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(yīng)著光子的兩種圓偏振態(tài)（右旋和左旋）。

　　從光子的能量、動量公式可導(dǎo)出一個(gè)推論 編輯本段回目錄粒子和其反粒子的湮滅過程一定產(chǎn)生至少兩個(gè)光子。 原因是在質(zhì)心系下粒子和其反粒子組成的系統(tǒng)總動量為零，由于動量守恒定律 ，產(chǎn)生的光子的總動量也必須為零；由于單個(gè)光子總具有不為零的大小為 的動量，系統(tǒng)只能產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上的光子來滿足總動量為零。 產(chǎn)生光子的頻率，即它們的能量，則由能量-動量守恒定律 （四維動量守恒）決定。 而從能量-動量守恒可知，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(fā)產(chǎn)生。

　　光子具有波粒二象性編輯本段回目錄 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(yīng)證明。

　　光子的靜質(zhì)量為零，否則的話其動質(zhì)量將為無窮大。但其動質(zhì)量卻是存在的，計(jì)算方法是這樣的：首先，由于頻率為v的光子的能量為 　　E＝hv，（其中h為普朗克常數(shù)），故由質(zhì)能公式可得其質(zhì)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(jīng)典的波有群速度與相速度之分。 光子的速度就是光速。

總結(jié)

　　光子有速度、能量、動量、質(zhì)量。光子不可能靜止。光子可以變成其它物質(zhì)（如一對正負(fù)電子），但能量守恒、動量守恒。

歷史發(fā)展

　　到十八世紀(jì)為止的大多數(shù)理論中，光被描述成由無數(shù)微小粒子組成的物質(zhì)。由于微粒說不能較為容易地解釋光的折射、衍射和雙折射等現(xiàn)象，笛卡爾（1637年） 、胡克（1665年）和惠更斯（1678年）等人提出了光的（機(jī)械）波動理論；但在當(dāng)時(shí)由于牛頓的權(quán)威影響力，光的微粒說仍然占有主導(dǎo)地位。十九世紀(jì)初，托馬斯·楊和菲涅爾的實(shí)驗(yàn)清晰地證實(shí)了光的干涉和衍射特性，到1850年左右，光的波動理論已經(jīng)完全被學(xué)界接受。1865年，麥克斯韋的理論預(yù)言光是一種電磁波，證實(shí)電磁波存在的實(shí)驗(yàn)由赫茲在1888年完成，這似乎標(biāo)志著光的微粒說的徹底終結(jié)。

　　然而，麥克斯韋理論下的光的電磁說并不能解釋光的所有性質(zhì)。例如在經(jīng)典電磁理論中，光波的能量只與波場的能量密度（光強(qiáng)）有關(guān)，與光波的頻率無關(guān)；但很多相關(guān)實(shí)驗(yàn)，例如光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，都表明光的能量與光強(qiáng)無關(guān)，而僅與頻率有關(guān)。類似的例子還有在光化學(xué)的某些反應(yīng)中，只有當(dāng)光照頻率超過某一閾值時(shí)反應(yīng)才會發(fā)生，而在閾值以下無論如何提高光強(qiáng)反應(yīng)都不會發(fā)生。 　　

　　與此同時(shí)，由眾多物理學(xué)家進(jìn)行的對于黑體輻射長達(dá)四十多年（1860-1900）的研究因普朗克建立的假說而得到終結(jié)，普朗克提出任何系統(tǒng)發(fā)射或吸收頻率為\nu\,的電磁波的能量總是E = h\nu\,的整數(shù)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(yīng)作出解釋，愛因斯坦因此獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。愛因斯坦的理論先進(jìn)性在于，在麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論中電磁場的能量是連續(xù)的，能夠具有任意大小的值，而由于物質(zhì)發(fā)射或吸收電磁波的能量是量子化的，這使得很多物理學(xué)家試圖去尋找是怎樣一種存在于物質(zhì)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(chuàng)性地提出電磁場的能量本身就是量子化的 。愛因斯坦并沒有質(zhì)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(jīng)典光波場的能量集中到一個(gè)個(gè)運(yùn)動互不影響的光量子上，很多類似于光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虮缓芎玫亟忉?。?909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(shí)驗(yàn)中觀測到 ，康普頓也因此獲得1927年的諾貝爾獎(jiǎng)。

　　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(guān)于光的電磁理論和光量子理論統(tǒng)一起來呢？愛因斯坦始終未能找到統(tǒng)一兩者的理論，但如今這個(gè)問題的解答已經(jīng)被包含在量子電動力學(xué)和其后續(xù)理論：標(biāo)準(zhǔn)模型中。

技術(shù)應(yīng)用

　　這里討論的是光子在當(dāng)今技術(shù)中的應(yīng)用，而不是泛指可在傳統(tǒng)光學(xué)下應(yīng)用的光學(xué)儀器（如透鏡）。激光是二十世紀(jì)光學(xué)最重要的技術(shù)之一，其原理是上文討論的受激輻射。 　　

　　對單個(gè)光子的探測可用多種方法，傳統(tǒng)的光電倍增管利用光電效應(yīng)：當(dāng)有光子到達(dá)金屬板激發(fā)出電子時(shí)，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(yīng)用半導(dǎo)體中類似的效應(yīng)，入射的光子在一個(gè)微型電容器上激發(fā)出電子從而可被探測到。其他探測器，如蓋革計(jì)數(shù)器利用光子能夠電離氣體分子的性質(zhì)，從而在導(dǎo)體中形成可檢測的電流。 　　

　　普朗克的能量公式E=h\nu經(jīng)常在工程和化學(xué)中被用來計(jì)算存在光子吸收時(shí)的能量變化，以及能級躍遷時(shí)發(fā)射光的頻率。例如在熒光燈的發(fā)射光譜的設(shè)計(jì)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(fā)出熒光。 　　

　　在某些情形下，單獨(dú)一個(gè)光子無能力激發(fā)一個(gè)能級的躍遷，而需要有兩個(gè)光子同時(shí)激發(fā)。這就提供了更高分辨率的顯微技術(shù)，因?yàn)闃悠分挥性趦墒煌伾墓馑丈涞母叨戎丿B的部分之內(nèi)才會吸收能量，而這部分的體積要比單獨(dú)一束光照射到并引起激發(fā)的部分小很多，這種技術(shù)被應(yīng)用于雙光子激發(fā)顯微鏡中。而且，應(yīng)用弱光照射能夠減小光照對樣品的影響。 　　

　　有時(shí)候兩個(gè)系統(tǒng)的能級躍遷會發(fā)生耦合，即一個(gè)系統(tǒng)吸收光子，而另一個(gè)系統(tǒng)從中“竊取”了這部分能量并釋放出不同頻率的光子。這是熒光共振能量傳遞的基礎(chǔ)，被應(yīng)用于測量分子間距中。 　　

　　量子光學(xué)是物理光學(xué)中相對于波動光學(xué)的另一個(gè)分支。光子可能是超快的量子計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算元素，而在這方面重點(diǎn)研究的對象是量子糾纏態(tài)。非線性光學(xué)是當(dāng)前光學(xué)另一個(gè)活躍的領(lǐng)域，它研究的課題包括光纖中的非線性散射效應(yīng)、四波混頻、雙光子吸收、自相位調(diào)制、光學(xué)參量振蕩等。不過這些課題中并不都要求假設(shè)光子的存在，在建模過程中原子經(jīng)常被處理為一個(gè)非線性振子。非線性效應(yīng)中的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換經(jīng)常被用來產(chǎn)生單光子態(tài)。最后，光子是光通信領(lǐng)域某些方面的關(guān)鍵因素，特別是在量子密碼學(xué)中。