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光子

(傳遞電磁相互作用的基本粒子)

鎖定
光量子,簡稱光子(photon),是傳遞電磁相互作用基本粒子,是一種規範玻色子,在1905年由愛因斯坦提出,1926年由美國物理化學吉爾伯特·路易斯正式命名。 [1-2] 
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。 [1-2]  光子靜止質量為零。光子以光速運動,並具有能量、動量、質量。 [1-2] 
中文名
光子
外文名
Photon
別    名
光量子
表達式
E=mc2=hν
提出者
愛因斯坦(A.Einstein)
提出時間
1905~1917
適用領域
光化學,以及分子間距的測量
應用學科
實驗和理論物理學 量子力學
屬    性
基本粒子
靜止質量
0

光子光子的發展

光子的提出和發展—光的量子理論
1901年,德國物理學家普朗克(Plank)找到了與實驗相符的在熱平衡下的絕對黑體輻射譜的能量分佈律。這個規律是量子理論發展的出發點。這規律的基礎是假定物質發出光和吸收光具有不連續的特性,並且假定光為一個一個有限部分——光量子——發出或吸收。
這種光子的能量ε是和光的振動頻率ω成正比的,並且可用下列等式表示
這裏
,是普朗克常數。
當愛因斯坦(Einstein)指出了除能量ε外還必須要用衝量
(這衝量的方向和光的傳播方向相符合)來描述光子後,光子的表示才得到完善的形式。
如果引入波矢量k,它的分量等於
式中λ是波長,而cosα,cosβ,cosγ是光波法線方向的餘弦,於是光量子的衝量的公式可以寫為矢量形式 [3] 
光子變陶子
2024年3月25日,歐洲核子研究中心(CERN)官網表示,該機構大型強子對撞機(LHC)上的緊湊繆子線圈(CMS)國際合作組宣佈,他們利用CMS軌跡探測器出色的追蹤能力,首次觀察到質子對撞中兩個光子“變身”為兩個陶子(τ)。 [4] 

光子光子作用

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,這意味着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;而光子的粒子性可由光電效應證明。光子只能傳遞量子化的能量,是點陣粒子,是圈量子粒子的質能相態。

光子光子特性

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。
光子從激光的相干光束中射出 光子從激光的相干光束中射出
光子是光線中攜帶能量的粒子。一個光子能量的多少正比於光波的頻率大小, 頻率越高, 能量越高。當一個光子被原子吸收時,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,具有電子躍遷的原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=mc2=,求出m=/c2
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。
根據量子場論,一對正反粒子可發生湮滅變成一對高能γ光子,而一對高能γ光子在高温下亦可發生反應產生一對正反粒子。比如在T=1015K的温度下可發生光子向質子和中子等重子的轉化。
費曼圖表示的正電子-負電子散射(也叫做Bha-Bha散射),波浪線表示交換虛光子的過程。
參見: 狹義相對論
光子晶體結構 光子晶體結構
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,如果光子靜止質量不為零,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=/c2
這裏,m即是光子質量的上限,ν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7.8Hz(赫茲)。
這個值僅比如今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
光子能夠在很多自然過程中產生,例如:在分子、原子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E和動量p之間關係為p=E/c; 相對論力學中靜質量為
的粒子的能量動量關係為
光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關;或者説僅與波長λ有關。從而得到光子的動量大小為p=h/λ=hv/c
其中h普朗克常數
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。 原因是在質心繫下粒子和其反粒子組成的系統總動量為零,由於能量守恆定律,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
即説光子既具有一粒一粒的粒子的特性又有像聲波一樣的波動性。當時間為瞬時值時,光子以粒子的形式傳播;當時間為平均值時,光子以波的形式傳播。光子的波動性由光子的衍射而證明,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/c2=hv/c2其中c2表示光速的平方,該方法由愛因斯坦首先提出。

光子光子理論

光子有速度、能量、動量、質量,有凝聚。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
參考資料