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光子

(傳遞電磁相互作用的基本粒子)

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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

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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,於是光量子的衝量公式可以寫為矢量形式

光子光子作用

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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

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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,如麥克斯韋方程組磁場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

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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

光子實現快速操控

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美國物理學家組織網,科學家一直希望用光子代替電子實現更快捷安全的光通訊,科學家們成功證明,他們能更快速地(在幾納秒內)控制與目前光通訊網絡中所用光波波長一樣的光子的路徑和偏振,新光子電路可整合進現有的光通訊網絡中,從而顯著改進網絡的性能。最新研究朝實現光量子通訊邁進了一步。
英國布里斯托大學、赫瑞瓦特大學、荷蘭卡弗里納米科學研究所的科學家們將這項快速控制單光子的路徑和偏振的研究發表在最新一期《物理評論學快報》雜誌上。
他們在對一個由電路組成的量子光學設備進行研究時發現,單個光子會移動穿過這些電路,這些電路也能被重新配置從而改變光子的路徑和偏振方向。然而,這種量子光學電路無法快速操縱單光子和多光子的狀態。為了解決這一問題,他們使用了已被證明能在現有通訊調製器中進行快速操縱的鈮酸鋰波導,並證明對電極附近的波導施加電壓能快速操控由波長為1550納米的一個或兩個光子組成的光的量子(包括路徑和偏振)狀態,該波長正是現有通訊網絡中採用的波長。
領導該研究的布里斯托大學的達米恩·博諾表示:“在這個實驗中,我們演示了兩種電路配置,每種電路配置都會導致不同的量子狀態,一次配置僅需幾納秒,而在以前的實驗中,每幾秒才能對電路進行一次重新配置。通訊網每天都在使用由同樣技術製成的開關來傳遞由光脈衝編碼的信息字節,從原理上來講,這樣的開關也能用於單光子層面。”
博諾表示:“迄今為止,在芯片上操縱光的量子狀態一直依靠加熱器,其能作為慢速移相器來使用。最新研究表明,鈮酸鋰波導能採用一種與以前迥然不同的方法來更快速地操控光的量子狀態。我們不僅能打開和關閉光包以便按規定路線發送傳統信息,也能夠快速處理和操縱光的量子狀態。”
科學家們指出,能在單個平台上快速控制單光子的偏振和路徑對基礎量子科學和量子技術來説都至關重要。博諾表示,製造這些設備的鈮酸鋰材料也能隨機產生光子,另外,具有超導性的單光子探測器也能被整合在這樣的芯片上。一個結合了能隨機產生光子的光源、電路以及探測器的技術平台可用於以下幾方面:通過對幾個光子來源進行多路傳輸從而獲得可靠的單光子源、長距離量子通訊需要使用的量子繼電器、量子密碼學中用到的量子密鑰分配等。
以前有些老式收音機使用電子管,每次工作前都要預熱。隨着半導體管的應用,預熱時間就被節省下來了。如今,光量子調製設備領域也出現了類似的進步——以前用加熱器,幾秒鐘才能重新配置電路,幾納秒就可以切換到另一個電路。使用鈮酸鋰材料作波導設備,在調制解調器時代是很平常的技術手段。但誰能想到,平平無奇的光電轉化設備稍加變化,可以幫助最前沿的光量子通信研究取得突破?隨着光源、電路和探測器整合到一起,量子通信研究者的工作量可以減輕不少了。 [3] 

光子相關事件

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華中科技大學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。
在出版的美國《物理學評論快報》(Physical Review Letters) 上,有專文介紹説:“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,在一個山洞實驗室裏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 [4] 

光子研究成果

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2021年5月,高海拔宇宙線觀測站再進一步,記錄到1.4拍的伽馬光子,並更加明確了其來源。這不僅是人類觀測到的最高能量光子,更突破了傳統認知,開啓了“超高能伽馬天文學”時代 [5] 
參考資料