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怎样理解光的量子性理论

教育综合
2022-11-24 12:58:38

“光量子理论”是什么意思?

光量子，简称光子，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(如电子和夸克)相比，光子没有静止质量(爱因斯坦的运动质量公式m=m0/sqr[1-(v/c)]中，光子的v = C，使得公式分母为0，但光子的运动质量m具有有限值，故光子的静止质量必须为零。

1、理论

光子的概念是爱因斯坦在1905年至1917年间提出的，当时被普遍接受的关于光是电磁波的经典电磁理论无法解释光电效应等实验现象。相对于当时的其他半经典理论在麦克斯韦方程的框架下将物质吸收和发射光的能量量子化，爱因斯坦首先提出光本身就是量子化的，这种光量子(英语:light quantum，德语:das Lichtquant)被称作光子。这一概念的形成带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展，例如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计诠释、量子光学和量子计算等。根据粒子物理的标准模型，光子是所有电场和磁场的产生原因，而它们本身的存在，则是满足物理定律在时空内每一点具有特定对称性要求的结果。光子的内秉属性，例如质量、电荷、自旋等，则是由规范对称性所决定的。

1905年，年轻的科学家爱因斯坦发展了普朗克的量子说。他认为，电磁辐射在本质上就是一份一份不连续的，无论是在原子发射和吸收它们的时候，还是在传播过程中都是这样。爱因斯坦称它们为"光量子"，简称"光子"，并用光量子说解释了光电效应，这成为爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖的主要理由。其后，康普顿散射进一步证实了光的粒子性。它表明，不仅在吸收和发射时，而且在弹性碰撞时光也具有粒子性，是既有能量又有动量的粒子。如此，光就既具有波动性(电磁波)，也具有粒子性(光子)，即具有波粒二象性。后来，德布罗意又将波粒二象性推广到了所有的微观粒子。

光子具有能量ε=hν和动量p=hν∕c,是自旋为1的玻色子。它是电磁场的量子，是传递电磁相互作用的传播子。原子中的电子在发生能级跃迁时，会发射或吸收能量等于其能级差的光子。正反粒子相遇时将发生湮灭，转化成为几个光子。光子本身不带电，它的反粒子就是它自己。光子的静止质量为零，在真空中永远以光速c运动，而与观察者的运动状态无关。由于光速不变的特殊重要性，成为建立狭义相对论的两个基本原理之一。

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(关于光子的波动性是经典电磁理论描述的电磁波的波动还是量子力学描述的几率波的波动这一问题请参考下文波粒二象性和不确定性原理);而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的波那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量，即: 这里是普朗克常数，是光波的频率。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10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，不过由于有量子力学定律的制约，单个光子没有确定的动量或偏振态，而只存在测量其位置、动量或偏振时得到对应本征值的几率。

光子的概念也应用到物理学外的其他领域当中，如光化学、双光子激发显微技术，以及分子间距的测量等。在当代相关研究中，光子是研究量子计算机的基本元素，也在复杂的光通信技术，例如量子密码学等领域有重要的研究价值。

能量光子是一种超物质，不易于被利用。

2、光子起源

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hν;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。

根据计算:

中子的质量:1.674927211(84)×10千克;中子的半径:1.11337557(48)费米;

质子的质量:1.672621637(83)×10千克;质子的半径:1.11286448(48)费米;

电子的质量:9.10938215(45)×10千克;电子的半径:0.090880914(40)费米;

光子的质量:9.347543(38)×10千克;光子的半径:0.0031349374(29)费米。

光子的能量:4.200577(17)×10焦耳，2.621794(11)电子伏特;

光子的频率:6.339470(26)×10赫兹;

光子的波长:472.8983(20)纳米，正好位于青蓝色的光的波长的中心位置473.5纳米附近。

当光的质量大于临界质量时，很容易被电子所吸收或散射;当光的质量小于临界质量时，不太容易被电子所吸收，即很容易被电子很快发射掉;而处于临界质量附近的光子较容易被电子吸收，并向不同方向发射，由此而形成青蓝色的天空。

光能子通过超穿越，进行物质能量传换，平衡宇宙。

3、作用

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，是点阵粒子，是圈量子粒子的质能相态。如图:

光能子可能加快时光进程，促进毁灭。但又能乘载我们穿越时光。

能量光子具有释放作用，改变作用，穿越作用和超穿越作用。

能量光子具有双反的改变作用。

4、结构

光子结构和光粒子的天然特性:所谓光子结构的测量，在量子电动力学中是指观测光子场的量子涨落[79]，这种能量涨落用一个光子的结构方程来描述。对光子结构的测量一般都依赖于对光子与电子，以及正负电子的对撞时的深度非线性散射的观测[80]。根据量子色动力学，光子既能以无尺寸粒子，即轻子的方式参与相互作用;也能以一组夸克和胶子的集合体，即强子的方式参与。决定光子结构的并不是像质子那样由传统的价夸克分布，而是由轻子的涨落而形成的部分子的集合。光粒子是物质就应当存在'粒子特质'图文

什么是光量子理论？

爱因斯坦的光量子理论，虽然能正确地解释光电效应，但仍然没能广泛承认，就连普朗克这位最早提出量子论的人，也认为爱因斯坦的理论“太过分”了。

原因就在于我们前面所说的“途中”。普朗克只认为电磁波在发射和吸收能量时是一份一份的，而爱因斯坦认为在传播过程中也具有这样的性质。

爱因斯坦理论的提出，使人们对光本质的认识前进了一大步。他重新引入微粒观，又肯定了波动的意义。主要是由于爱因斯坦的工作，使得光的波粒二象性确立，即光有时表现有波动性，有时表现为粒子性。

实验中的“斯托克斯定律”是爱因斯坦理论的证明。斯托克斯定律是：如果光碰上一块发荧光的平面，那么荧光的频率几乎总是比较低的，决不会高过引发辐射的频率。如果用波动理论，则无法解释，在光量子的假说中，通过爱因斯坦方程可以看到，打在屏幕上的量子放出一部分能量，因此被反射的量子能量较小，频率也较小。

另外，照相底板受到光照时，即使光线强度极弱，感光层的某些小颗粒也会起变化，而感光层的其他部分则依旧如故。这证明是光量子命中的部分引起变化。

美国物理学家密立根激烈地反对光量子理论，他花了10年时间，企图用实验来否定爱因斯坦。为了研究爱因斯坦方程，他把频率已知的单色光落到一块板上，然后尽量准确地测出放出的光电子能量。他用这种方法得出的普朗克常数与普朗克公式韵常数完全一致。

根据种种实验，光既有波的性质，又有粒子的性质，爱因斯坦的关于光是粒子组成的理论，没有让现代科学家放弃光的波动，而是有机统一且辩证地结合起来，即光的波粒二象性得到确立。

简述爱因斯坦光的量子理论

因为黑体只吸收不反射，如果按照光是一种连续的波来解释，解释不通。因为波都是能反射的。所以普朗克只能把能量理解为间断传播的。就像水柱喷在平滑的玻璃上，都会基本遵循一定方向反弹。但如果是水滴，就只能jian开，没有固定的方向，也不会明显反弹。爱因斯坦把这个理论引申扩展，认为是光也是一份一份的能量子，每一份能量=hv,h是普朗克常量，v是光子频率。光电效应，就是光量子间断传播，激发出一个个金属电子，而不是反射出连续的波。但光也是一种波。是所谓的“波粒二象性”。这只能用《相对论》来解释。因为《相对论》认为光速是极限，所以超过光速的部分会收缩掉，这就是所谓的“时空收缩。”没有收缩的时候，时空和物质是一根

什么是光量子论

爱因斯坦大胆假设：光和原子电子一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是E＝hν，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为p＝E/c＝h/λ 列别捷夫（П.Н.Лебедев l866—1911）的光压实验证实了光的动量和能量的关系式。根据光量子假说，爱因斯坦顺利地推出普朗克公式，并且还提出了一个光电效应公式。光量子假说成功地解释了光电效应。当紫外线这一类的波长较短的光线照射金属表面时，金属中便有电子逸出，这种现象被称为光电效应。它是由赫兹（H.R.Hertz l857—1894）和勒纳德（P.Lenard l862—1