光子(photons)

光子(photons)

定义：光能量的量子。

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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。 

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（参阅双光子吸收）。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。