光量子,簡稱光子,是傳遞電磁相互作用的基本粒子,為一種規範玻色子。1926年正式命名。光量子解釋了光電效應。
電磁輻射在本質上是一份一份不連續的光子,無論是原子發射、吸收和傳播光子都是這樣。光子是電磁輻射的載體,是電磁相互作用的媒介子,與電子和誇克等大多數基本粒子相比,光子沒有靜止質量,其運動質量具有有限值,其質量上限:M=HV/C。M即是光子質量的上限,V是任意電磁波的頻率。
在1905年至1917年期間,普遍認為光隻是電磁波,但在解釋光電效應等實驗現象時遇到了障礙。此時,愛因斯坦首先提出光本身就是量子化的,使愛因斯坦獲得了1921年諾貝爾物理學獎。1926年,康普頓散射證實了光子的粒子性,光在吸收、發射、彈性碰撞時都具有粒子性,是既有能量又有動量的粒子。康普頓也因此獲得1927年的諾貝爾獎。
光就具有波動性(電磁波),又具有粒子性(光子),所以,光具有波粒二象性。後來,德布羅意将波粒二象性推廣到所有微觀粒子。
波粒二象性:光子能夠表現出經典波的折射、幹涉、衍射等性質。光子的粒子性表現為與物質相互作用時隻能傳遞量子化的能量。光子的波動性以光子的衍射例證為主,光子的粒子性由光電效應證明為主。
從波的角度看,光子具有兩種可能的偏振态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。
單個光子攜帶
的能量約為4×10-19焦耳。光子具有的能量ε=hν,一個光子能量的大小與光波的頻率成正比, 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,從内軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷能力的原子就從基态變成了激發态。原子中的電子在發生能級躍遷時,會發射或吸收的能量等于其能級差的光子。
光子具有動量P=h/λ=hv/c ,是自旋為1的玻色子。光子的靜止質量為零,在真空中永遠以光速運動,與觀察者的運動狀态無關。
光子能夠在很多自然過程中産生,例如:在分子、原子或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至少産生兩個光子。
光子有速度、動量、能量、質量。光子不可能靜止。光子可以變成其它物質(如一對正負電子),但能量守恒、動量守恒。
應用。激光的原理就是受激輻射。用于熒光燈發射光譜的設計,可制造出更高分辨率的顯微技術。熒光共振用于測量分子間距。新光子電路用于顯著改進網絡性能,實現光量子通訊。還用于量子繼電器、量子密鑰分配等。
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