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光子？身披坚甲的强者！

离线im286

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0楼发表于: 2009-08-21 20:35:29

　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，ε=hv，在真空中以光速c运行，其自旋为1，是玻色子。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A.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。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。
　　光子从激光的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与波长相关, 波长越短, 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。

在超快科学领域，存在一个能使光子仅波动半相的地带。在此，激光学的优势在于使研究者能够以全新的方式认识利用光反应。
“这真的是一种研究物质特性的新方法。” 来自SLAC的PULSE中心和Stanford材料学工程系（Stanford Materials Science and Engineering Department）的Aaron Lindenberg说到，“我们刚开始学习如何以相对简单的方式产生如此强度的场。”
Lindenberg的团队是高强度低能远红外光子束产生技术领域的先驱者，这些光子束被分成持续不足1皮秒的极短脉冲，被称为“太赫兹场”。它作为原子量级物质研究的强有力的工具，为该研究带来了更多的希望。
太赫兹场并不是新生儿。分子内部的电子旋转时都可以产生微弱的THz脉冲，加速器内部的电子也可以产生THz波。Lindenberg的团队利用这种现象，结合能被非常迅速转换开关的高功率激光，产生了空前强度的太赫兹场。
就如普通可见光，红外光子存在波粒二相性。作为光波，他们以电磁振荡的形式在升降极快的电磁环境中快速推挽。对可见光来说，每秒会产生百万亿次振荡。现在，结合激光光学，Lindenberg的团队设计出一个产生光子脉冲的方法，这种方法能以大概半个振荡周期的时间转换。其结果就是，只有半个振荡――即只有推，没有挽。
“它就像一把锤子。”Lindenberg说，“你可以用这些脉冲敲击一些物质，把它们推向一个方向。同时也可以用来将电子从一个位置拉到另一个位置。”
一旦人们更全面的了解这些现象，它就能检测用于太阳能电池的相关可循环能源材料。在半导体材料中，电子运动及其速度可以非常快速的改变。结合测量这些电子如何运动能带来更多高效的太阳能电池，同时提高从水中分解氢产品的效率。太赫兹脉冲也能用于驱动电脑存储设备的超快转换，这将极大的提高计算速度。
随着自由电子激光（FELs）的出现，过去十年对太赫兹脉冲的研究如雨后春笋，蓬勃发展起来，比如Linac相干光源目前正在SLAC积极建设中。自由电子激光通过加速电子，能产生非常强的太赫兹场。
“我们还处于一个初期的阶段。” Lindenberg说。“在这些现象的产生机理上，仍然还有很多的争议。我们所做的一部分工作，正是试图搞清楚这个。也许通过对此的理解，我们能够产生更强的场，能够通过新的方式利用和控制物质材料。”

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
　　参见：狭义相对论
　　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。
　　参见光子：规范玻色子一节中对光子质量的讨论。
　　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（公式缺）；相对论力学中一般质量为？的粒子的能量动量关系为（公式缺）。
　　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？
　　其中？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：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 ..

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