高能光子

一個高能光子可以產生一個正電子和一個負電子。一對正、負電子可同時湮沒，轉化成光子。

2021年5月17日，中國科學院高能物理研究所公布，國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”記錄到1400萬億電子伏特（1.4PeV）的伽馬光子，這是人類迄今觀測到的最高能量光子，有助於進一步解開宇宙線的奧秘。

其中：E為能量；h為普朗克常數；為約化普朗克常數或稱狄拉克常數，；ν為頻率；ω為角頻率，ω= 2πν；P為動量的大小；λ為波長；k為波數。

所謂光子結構的測量，在量子色動力學中是指觀測光子場的量子漲落，這種能量漲落用一個光子的結構方程來描述。對光子結構的測量一般都依賴於對光子與電子，以及正負電子的對撞時的深度非線性散射的觀測。

光子在透明物質中的傳播速度要小於其在真空中的速度。例如在太陽內核產生的光子在到達太陽表面的路程中要經過無數次碰撞，到達表面所需時間可達一百萬年，而一旦輻射到太空中只需8.3分鐘就可到達地球。基於經典電磁理論的波動光學對此的解釋是光波的電場引起了物質內部電子的極化，極化場和原有的光電場發生干涉造成波的延遲，這種效應在宏觀上表現為幾何光學的折射率；而從光量子的角度來看，這個過程可以被描述為光子與處於激發態的物質粒子（准粒子，如聲子或激發子）混合成為一個偏振子，偏振子具有非零的有效質量，這意味著它的運動速度不能達到光速。對於不同頻率的光，在物質中的運動速度可能是不同的，這種現象叫做色散。偏振子的傳播速度是光波的群速，是真正的光波能量的傳播速度，由能量對動量的導數給出：

公式中變數的意義同前，和是偏振子的能量和動量，和是其角頻率和波數。光子與其他准粒子的相互作用能夠從拉曼散射和布里淵散射中觀測到。

光子也能夠被分子、原子或原子核吸收，引發它們能級的躍遷。

這裡討論的是光子在當今技術中的應用，而不是泛指可在傳統光學下應用的光學儀器（如透鏡）。激光的原理是上文討論的受激輻射。

對單個光子的探測可用多種方法，傳統的光電倍增管利用光電效應：當有光子到達金屬板激發出電子時，所形成的光電流將被放大引起雪崩放電。電荷耦合元件（CCD）應用半導體中類似的效應，入射的光子在一個微型電容器上激發出電子從而可被探測到。其他探測器，如蓋革計數器利用光子能夠電離氣體分子的性質，從而在導體中形成可檢測的電流。

普朗克的能量公式經常在工程和化學中被用來計算存在光子吸收時的能量變化，以及能級躍遷時發射光的頻率。例如，在熒光燈的發射光譜的設計中，會使用擁有不同電子能階的氣體分子，然後調整電子的能量並且用這些電子去碰撞氣體分子，這樣，可以得到想要的熒光。

在某些情形下，單獨一個光子無能力激發一個能級的躍遷，而需要有兩個光子同時激發。這就提供了更高解析度的顯微技術，因為樣品只有在兩束不同顏色的光所照射的高度重疊的部分之內才會吸收能量，而這部分的體積要比單獨一束光照射到並引起激發的部分小很多，這種技術被應用於雙光子激發顯微鏡中。而且，應用弱光照射能夠減小光照對樣品的影響。

有時候兩個系統的能級躍遷會發生耦合，即一個系統吸收光子，而另一個系統從中“竊取”了這部分能量並釋放出不同頻率的光子。這是熒光共振能量傳遞的基礎，被應用於分子生物學來研究蛋白質與蛋白質之間的相互作用。