光子

2021-04-20 15:59:23 浏览:484

定义

光能量的量子。

当一束很弱的光束进入一个很灵敏的光电探测器,可以发现能量是以小束的形式传播的,而不是连续的。这可以解释成光束包含了一束束的能量,称为量子或者光量子。光子能量为h ν = h c / λ,即普朗克常数h与光频率ν的乘积。在二十世纪,Max Planch处理热辐射问题中就采用了光包含能量束的观点,Albert Einstein在研究光电效应时也利用了这一观点。光子则是在1926年物理化学家 Gilbert N. Lewis定义的[1]

将光子看做光的粒子可以帮助理解许多量子现象,但是如果不了解其限制因素则很容易得出错误的结论。现代量子光学给出了非常自洽的、但是不是很简洁的对光的本性的描述。这里将光子看做量子化电磁场的元激发。这一理论框架下光子的性质比较特别,不能采用简单的粒子图像或者纯波动图像来解释。

光子的一些关键性质

1、光的传播(在自由空间或者波导中)实际就是波的传播。某时刻某一点的量子力学场振幅是光所有可能路径的叠加。叠加可能会干涉相长或者相消,这是光学干涉效应的基础。纯粒子图像很难与实验观察相符,例如,在传统的双缝干涉实验中,每一个粒子都会通过其中一条缝,而与另一条缝不相干;但是这无法解释只有当堵住一条缝之后,有些粒子才能到达某一位置,而两条缝都打开时就不能到达该位置的现象(相消干涉)。

2、当光与原子或者其它粒子发生相互作用时,只有是光子能量h ν整数倍的能量才能够被光场吸收或者释放。这可以简单的理解为只能吸收或辐射一定数目的光子。只有当作用的粒子(例如原子)能够接收这些能量时,相互作用过程才会发生,即它们量子力学能级间的能级差对应光子能量,或者是光子能量整数倍。纯的波动图像将这些能量限制看做共振效应,但是无法解释能量的量子化现象。

3、在灵敏的光电探测器中,能量量子化特别明显,可以进行光子计数,即能够探测单光子吸收效应。这在很多的科学和技术领域都有应用。

4、光子的静止质量为0,因此不能使其变慢或者静止。存在所谓的慢光现象,是由于电磁场与物质之间强烈的相互作用引起的,因此只有在介质中才存在这种现象。这时并不仅仅是电磁场激发,纯的光子图像不能给出很合理的解释。

5、由于光子的泊松特性,多个光子倾向于激发相同模式的辐射场。例如,受激辐射过程中(激光器中很重要)就能发现,还可以在热激发辐射后的能量谱中看到(黑体辐射)。

6、光子可以以纠缠态存在,即不同光子的有些性质(例如,偏振)0是相干的,尽管只有当进行测量时这些性质才具有特定的值。由于对不同光子的测量可以发生在不同的位置,这似乎意味着超光速传输信息是可能的(Einstein-Podolsky-Rosen佯谬),但是实际上是不会发生的。

量子理论不仅能应用到可见光中,它还可以应用到任意的电磁波现象中。但是在射频技术中,量子效应并不像在光学和激光器技术中这么重要。这是因为射电波的光子能量与其室温下的热能相比很小,而光学现象中则刚好相反。

在激光物理中,常见的现象是光子在介质中传播,例如,透明晶体或者玻璃,以及激光增益介质。这时严格来说称为光子就不合适了,因为电磁波会与介质发生相互作用,因此传播的是准粒子,有时称为极化激元,类似于电磁场的激发态与极化介质耦合的产物。

参考文献

[1] G. N. Lewis, “The conservation of photons”, Nature 118, 874 (1926)
[2] R. Hanbury Brown and R. Q. Twiss, “Correlation between photons in two coherent beams of light”, Nature 177, 27 (1956)
[3] C. Roychoudhuri, A. F. Kracklauer, and K. Creath (eds.), The Nature of Light. What is a Photon?, CRC Press, Boca Raton, FL (2008)

参阅:光子计数、量子光学、自发辐射、受激辐射、非经典光、声子、量子光学

基础光学

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