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光子

光子

又名:光量子(lightquantum)
分类: 光通讯
属性: 技术
最后修改时间: 2013年05月25日
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原始称呼是光量子(light quantum),电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为γ。其静止量为零,不带电荷,其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积,E=hv,在真空中以光速c运行,其自旋为1,是玻色子。

光子

• 概念
• 来历
• 工作原理
• 命名
• 物理性质
• 从光子的能量、动量公式可导出一个推论
• 光子具有波粒二象性
• 总结
• 历史发展
• 技术应用

 概念

  原始称呼是光量子(light quantum),电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为γ。其静止量为零,不带电荷,其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积,E=hv,在真空中以光速c运行,其自旋为1,是玻色子。

来历

  回目录早在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hv;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。

工作原理  

  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。

  光子从激光相干光束中出射光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少∝光波的频率大小, 频率越高, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,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,具有电子跃迁的分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=HV,求出M=HV/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。

  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。与大多数基本粒子相比,光子的静止质量为零,这意味着其在真空中的传播速度是光速。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;而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量,光子只能传递量子化的能量。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,但单个光子没有确定的动量或偏振态。

命名

  光子起初被爱因斯坦命名为光量子 。 光子的现代英文名称photon源于希腊文 φῶς (在罗马字下写为phôs),是由物理化学家吉尔伯特·路易士在他的一个假设性理论中创建的。 在路易士的理论中, photon指的是辐射能量的最小单位,其“不能被创造也不能被毁灭”。 尽管由于这一理论与大多数实验结果相违背而从未得到公认, photon这一名称却很快被很多物理学家所采用。 根据科幻小说作家、科普作家艾萨克·阿西莫夫的记载, 阿瑟·康普顿于1927年首先用photon来称呼光量子。

  在物理学领域,光子通常用希腊字母γ (音: Gamma )表示,这一符号有可能来自由法国物理学家维拉德 ( Paul Ulrich Villard )于1900年发现的伽玛射线,伽玛射线由卢瑟福和英国物理学家安德雷德 ( Edward Andrade )于1914年证实是电磁辐射的一种形式。 在化学和光学工程领域,光子经常被写为h ν ,即用它的能量来表示;有时也用f来表示其频率,即写为h f 。

物理性质  

  用费曼图表示的正电子 - 负电子散射(也叫做BhaBha散射 ),波浪线表示交换虚光子的过程。从波的角度看,光子具有两种可能的偏振态和三个正交的波矢分量,决定了它的波长和传播方向;从粒子的角度看,光子静止质量为零,电荷为零, 半衰期无限长。 光子是自旋为1的规范玻色子,因而轻子数 、 重子数和奇异数都为零。

  光子的静止质量严格为零,本质上和库仑定律严格的距离平方反比关系等价,如果光子静质量不为零,那么库仑定律也不是严格的平方反比定律。 所有有关的经典理论,如麦克斯韦方程组和电磁场的拉格朗日量都依赖于光子静质量严格为零的假设。

   从爱因斯坦的质能关系和光量子能量公式可粗略得到光子质量的上限:M=HV/C^2 这里M即是光子质量的上限, V是任意电磁波的频率,位于超低频段的舒曼共振已知最低频率约为7.8赫兹。这个值仅比现在得到的广为接受的上限值高出两个数量级。

   光子能够在很多自然过程中产生,例如:在分子、 原子或原子核从高能级向低能级跃迁时电荷被加速的过程中会辐射光子,粒子和反粒子 湮灭时也会产生光子;在上述的时间反演过程中光子能够被吸收,即分子、原子或原子核从低能级向高能级跃迁,粒子和反粒子对的产生。

  在真空中光子的速度为光速,能量 和动量p之间关系为p=E/c; 相对论力学中静质量为m0的粒子的能量动量关系为E^2=(pc)^2+(m0c^2)^2。
光子的能量和动量仅与光子的频率ν有关;或者说仅与波长λ有关光子的能量和动量仅与光子的频率ν有关;或者说仅与波长λ有关。从而得到光子的动量大小为 P=h/λ   
其中h也叫做狄拉克常数或约化普朗克常数 , k是波矢,其大小也叫做狄拉克常数或约化普朗克常数 ,方向指向光子的传播方向;?叫做波数 ;? 是角频率 。 光子本身还携带有与其频率无关的内秉角动量?: 自旋角动量 ?,其大小为光子本身 ,并且自旋角动量在其运动方向上的分量(这一分量在量子场论中被称作helicity )一定为 ? ,两种可能的值分别对应着光子的两种圆偏振态(右旋和左旋)。

  从光子的能量、动量公式可导出一个推论 编辑本段回目录粒子和其反粒子的湮灭过程一定产生至少两个光子。 原因是在质心系下粒子和其反粒子组成的系统总动量为零,由于动量守恒定律 ,产生的光子的总动量也必须为零;由于单个光子总具有不为零的大小为 的动量,系统只能产生两个或两个以上的光子来满足总动量为零。 产生光子的频率,即它们的能量,则由能量-动量守恒定律 (四维动量守恒)决定。 而从能量-动量守恒可知,粒子和反粒子湮灭的逆过程,即双光子生成电子-反电子对的过程不可能在真空中自发产生。

  光子具有波粒二象性编辑本段回目录 即说光子像一粒一粒的粒子的特性又有像声波一样的波动性,光子的波动性有光子的衍射而证明,光子的粒子性是由光电效应证明。

  光子的静质量为零,否则的话其动质量将为无穷大。但其动质量却是存在的,计算方法是这样的:首先,由于频率为v的光子的能量为   E=hv,(其中h为普朗克常数),故由质能公式可得其质量为:m=E/c^2=hv/c^2   其中c^2表示光速的平方。该方法由爱因斯坦首先提出。  经典的波有群速度与相速度之分。 光子的速度就是光速。

总结

  光子有速度、能量、动量、质量。光子不可能静止。光子可以变成其它物质(如一对正负电子),但能量守恒、动量守恒。

历史发展

  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\,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。

  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。

技术应用

  这里讨论的是光子在当今技术中的应用,而不是泛指可在传统光学下应用的光学仪器(如透镜)。激光是二十世纪光学最重要的技术之一,其原理是上文讨论的受激辐射。   

  对单个光子的探测可用多种方法,传统的光电倍增管利用光电效应:当有光子到达金属板激发出电子时,所形成的光电流将被放大引起雪崩放电。电荷耦合元件(CCD)应用半导体中类似的效应,入射的光子在一个微型电容器上激发出电子从而可被探测到。其他探测器,如盖革计数器利用光子能够电离气体分子的性质,从而在导体中形成可检测的电流。   

  普朗克的能量公式E=h\nu经常在工程和化学中被用来计算存在光子吸收时的能量变化,以及能级跃迁时发射光的频率。例如在荧光灯的发射光谱的设计中会用不同能级的电子去碰撞气体分子,直到有合适的能级能够激发出荧光。   

  在某些情形下,单独一个光子无能力激发一个能级的跃迁,而需要有两个光子同时激发。这就提供了更高分辨率的显微技术,因为样品只有在两束不同颜色的光所照射的高度重叠的部分之内才会吸收能量,而这部分的体积要比单独一束光照射到并引起激发的部分小很多,这种技术被应用于双光子激发显微镜中。而且,应用弱光照射能够减小光照对样品的影响。   

  有时候两个系统的能级跃迁会发生耦合,即一个系统吸收光子,而另一个系统从中“窃取”了这部分能量并释放出不同频率的光子。这是荧光共振能量传递的基础,被应用于测量分子间距中。   

  量子光学是物理光学中相对于波动光学的另一个分支。光子可能是超快的量子计算机的基本运算元素,而在这方面重点研究的对象是量子纠缠态。非线性光学是当前光学另一个活跃的领域,它研究的课题包括光纤中的非线性散射效应、四波混频、双光子吸收、自相位调制、光学参量振荡等。不过这些课题中并不都要求假设光子的存在,在建模过程中原子经常被处理为一个非线性振子。非线性效应中的自发参量下转换经常被用来产生单光子态。最后,光子是光通信领域某些方面的关键因素,特别是在量子密码学中。
 

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