光量子論

原始稱呼是光量子（lightquantum），電磁輻射的量子，傳遞電磁相互作用的規範粒子，記為γ。

其靜止量為零，不帶荷電，其能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積，，在真空中以光速c運行，其自旋為1，是玻色子。早在1900年，M.普朗克解釋黑體輻射能量分佈時作出量子假設，物質振子與輻射之間的能量交換是不連續的，一份一份的，每一份的能量為hv；1905年A.愛因斯坦進一步提出光波本身就不是連續的而具有粒子性，愛因斯坦稱之為光量子；1923年A.H.康普頓成功地用光量子概念解釋了X光被物質散射時波長變化的康普頓效應，從而光量子概念被廣泛接受和應用，1926年正式命名為光子。量子電動力學確立后，確認光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子。帶電粒子通過發射或吸收光子而相互作用，正反帶電粒子對可湮沒轉化為光子，它們也可以在電磁場中產生。

光子是光線中攜帶能量的粒子。一個光子能量的多少與波長相關，波長越短，能量越高。當一個光子被分子吸收時，就有一個電子獲得足夠的能量從而從內軌道躍遷到外軌道，具有電子躍遷的分子就從基態變成了激發態。

光子具有能量，也具有動量，更具有質量，按照質能方程，求出,

光子由於無法靜止，所以它沒有靜止質量，這兒的質量是光子的相對論質量。

光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規範玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子相比，光子的靜止質量為零，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子能夠表現出經典波的折射、干涉、衍射等性質；而光子的粒子性則表現為和物質相互作用時不像經典的粒子那樣可以傳遞任意值的能量，光子只能傳遞量子化的能量。對可見光而言，單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳，這樣大小的能量足以激發起眼睛上感光細胞的一個分子，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動量和偏振態，但單個光子沒有確定的動量或偏振態。

命名

光子起初被愛因斯坦命名為光量子[7]。光子的現代英文名稱photon源於希臘文φῶς（在羅馬字下寫為phôs），是由物理化學家吉爾伯特·路易士在他的一個假設性理論中創建的[11]。在路易士的理論中，photon指的是輻射能量的最小單位，其“不能被創造也不能被毀滅”。儘管由於這一理論與大多數實驗結果相違背而從未得到公認，photon這一名稱卻很快被很多物理學家所採用。根據科幻小說作家、科普作家艾薩克·阿西莫夫的記載，阿瑟·康普頓於1927年首先用photon來稱呼光量子[12][13]。

在物理學領域，光子通常用希臘字母γ（音：Gamma）表示，這一符號有可能來自由法國物理學家維拉德（PaulUlrichVillard）於1900年發現的伽瑪射線[14][15]，伽瑪射線由盧瑟福和英國物理學家安德雷德（EdwardAndrade）於1914年證實是電磁輻射的一種形式[16]。在化學和光學工程領域，光子經常被寫為hν，即用它的能量來表示；有時也用f來表示其頻率，即寫為hf。

用費曼圖表示的正電子-負電子散射（也叫做BhaBha散射），波浪線表示交換虛光子的過程

從波的角度看，光子具有兩種可能的偏振態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[4]，電荷為零[17]，半衰期無限長。光子是自旋為1的規範玻色子，因而輕子數、重子數和奇異數都為零。

光子的靜止質量嚴格為零，本質上和庫侖定律嚴格的距離平方反比關係等價，如果光子靜質量不為零，那麼庫侖定律也不是嚴格的平方反比定律[18]。所有有關的經典理論，如麥克斯韋方程組和電磁場的拉格朗日量都依賴於光子靜質量嚴格為零的假設。從愛因斯坦的質能關係和光量子能量公式可粗略得到光子質量的上限：（公式缺）

是任意電磁波的頻率，位於超低頻段的舒曼共振已知最低頻率約為7.8赫茲。

這個值僅比現在得到的廣為接受的上限值高出兩個數量級。

參見光子：規範玻色子一節中對光子質量的討論。

光子能夠在很多自然過程中產生，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也會產生光子；在上述的時間反演過程中光子能夠被吸收，即分子、原子或原子核從低能級向高能級躍遷，粒子和反粒子對的產生。

在真空中光子的速度為光速，能量和動量p之間關係為（公式缺）；相對論力學中一般質量為？的粒子的能量動量關係為（公式缺）。

光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關；或者說僅與波長λ有關光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關；或者說僅與波長λ有關。

從光子的能量、動量公式可導出一個推論：粒子和其反粒子的湮滅過程一定產生至少兩個光子。原因是在質心繫下粒子和其反粒子組成的系統總動量為零，由於動量守恆定律，產生的光子的總動量也必須為零；由於單個光子總具有不為零的大小為的動量，系統只能產生兩個或兩個以上的光子來滿足總動量為零。產生光子的頻率，即它們的能量，則由能量-動量守恆定律（四維動量守恆）決定。而從能量-動量守恆可知，粒子和反粒子湮滅的逆過程，即雙光子生成電子-反電子對的過程不可能在真空中自發產生。

光子具有波粒二象性，即說光子像一粒一粒的粒子的特性又有像聲波一樣的波動性，光子的波動性有光子的衍射而證明，光子的粒子性是由光電效應證明。

上面有人認為光子的動質量為零是錯誤的，光子的靜質量為零，否則的話其動質量將為無窮大。但其動質量卻是存在的，計算方法是這樣的：首先，由於頻率為v的光子的能量為

，（其中h為普朗克常數），故由質能公式可得其質量為：

其中表示光速的平方。該方法由愛因斯坦首先提出。

經典的波有群速度與相速度之分。

光子的速度就是光速。

光子有速度、能量、動量、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），但能量守恆、動量守恆。

華中科大羅俊教授重新確定光子靜止質量上限

華中科技大學教授重新確定光子靜止質量上限，有業內人士認為：光子靜止質量為零是經典電磁理論的基本假設之一。但有些科學家則認為，光子可能有靜止質量。

在2月28日出版的美國《物理學評論快報》（PhysicalReviewLetters）上，有專文介紹說：“一項由中國科學家羅俊等完成的新的實驗表明，在任何情況下，光子的靜止質量都不會超過10的負54次方千克，這一結果是之前已知的光子質量上限的1/20。”羅俊和他的同事通過一種新穎的實驗方法，在一個山洞實驗室里將光子靜止質量的上限，進一步提高了至少一個數量級。

據悉，如果光子存在靜止質量，雖然不會影響到人們的日常生活，但其產生的後果將是根本性的———例如，光速將隨波長的改變而變化，並且光波將像聲波一樣能夠產生縱向振動。

參考資料：

1.

2.zh.wikipedia.org/

相關詞條：

中子質子電子μ子中微子輕子強子介子重子共振態

開放分類：

物理，輻射，粒子，量子，光