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光子终究是什么?

admin 2019-09-07 157人围观 ,发现0个评论

光由数十亿细小的光束组成

幻想一下,一缕金黄色的阳光透过窗户照进来。量子物理学以为,光由数十亿细小的光束组成,称为光子,在空气中活动。但终究什么是光子光子终究是什么?呢?

光子的界说

光子是电磁辐射的最小离散量。它是一切光的根本单位。

光子一直处于运动状况,并且在真空中,光子以安稳速度向一切观察者跋涉,每秒299792458 m / s。这一般被称为光速,由字母c标明

依据爱因斯坦的光量子理论,光子的能量等于其振动频率乘以普朗克常数。爱因斯坦证明光是光子流,这些光子的能量是它们振动频率的高度,光的强度对应于光子的数量。根本上,他解说了光子流既能够作为波也能够作为粒子存在,这便是“波粒二象性”。

光子的特点

光子的根本特点是:

  • 它们具有零质量和停止能量。它们仅作为移动粒子存在。
  • 虽然缺少停止质量,它们仍然是根本粒子。
  • 它们没有消耗电能。
  • 它们很安稳。
  • 它们是旋转粒子,光子的自旋为1,使它们成为玻色子。
  • 它们带有能量和动量,这取决于频率。
  • 它们能够与其它粒子(如电子)相互作用,例如康普顿效应。
  • 它们能够被许多天然进程损坏或发作,例如当辐射被吸收或发射时。
  • 在空阔的当地,它们以光速跋涉。

人类对光的认知前史

光的实质,不管你把它看作是粒子仍是波,都是最大的科学争辩之一。几个世纪以来,哲学家和科学家一直在争辩,几乎没有构成终究结论。

公元前六世纪的印度教一支叫做胜论派的哲学分支对光有着惊人的物理直觉。像古希腊人相同光子终究是什么?,他们曩昔以为国际是依据土,空气,火和水的“原子”。光自身被以为是由十分快速移动的原子tejas构成的。 这与咱们现代的光学理论及其组成光子十分类似。

公元前300年左右,古希腊物理学家欧几里德在他假光子终究是什么?定光线直线跋涉时取得了巨大的打破。欧几里德也描绘了折射的规则。

文艺复兴迎来一个对光的实质进行科学探求的新时代。值得注意的是勒内笛卡尔在一篇名为1637年文章中以为光是由脉冲组成的,当在前言中触摸“球”时瞬间传达。克里斯蒂安惠更斯提醒了怎么制造反射,折射和屏蔽的光波,并解说了双折射。

到这时,科学家现已分成了两个根深柢固的阵营。一方以为光是波,而另一方以为光是粒子或小的物体。被广泛以为是有史以来最巨大科学家的艾萨克牛顿并不喜爱一切的波涛理论,因为这意味着光能够违背暗影太远。

在18世纪的大部分时间里,微粒理论主导了环绕光的实质的争辩。可是,1801年5月,托马斯扬敞开了闻名的双缝试验,在那里他证明了光波的搅扰。

双缝试验

在试验的第一个版别中,扬实际上没有运用两个狭缝,而是运用一张纸盖住一扇窗户,里边有一个小洞,用来漏出一道薄薄的光线。 跟着纸张在他手中移动,杨目击了光束怎么分裂成两半。 从纸张的一侧穿过的光搅扰来自另一侧的光以发作条纹,这能够在相对的墙壁上观察到。 后来,扬运用这些数据核算出各种颜色光的波长,并且十分挨近现代值。

该演示供给了有力的依据,证明光是波,而不是粒子。

与此一起,法国物理学家奥古斯丁菲涅耳在1821年标明,假如光是没有纵向振动的横波,就能够解说极化。 此前,菲涅耳还提出了准确的衍射波理论。

其时,牛顿的追随者几乎没有有力的依据来持续争辩。好像光是一种波。 问题在于传说中的“以太”(这是支撑电磁场并发作菲涅耳传达规则所需的奥秘前言),虽然每个人都极力在寻觅它,但却失利了。

1861年,詹姆斯克拉克麦克斯韦在20个方程中浓缩了关于电和磁的试验和理论知识,取得了巨大的打破。麦克斯韦猜测了一种“电磁波”,即便在真空中,也能够在没有传统电流的情况下自我保持。 这意味着光传达不需要以太!

麦克斯韦在1865年写道:“成果的一致性好像标明光和磁是相同物质的影响,光是依据电磁规律在场内传达的电磁搅扰。”

从那天起,光的概念初次与电和磁的概念联合起来。

1900年12月光子终究是什么?14日,马克斯普朗克证明了热辐射是在离散的能量包中发射和吸收的量子。 后来,阿尔伯特爱因斯坦在1905光子终究是什么?年标明,这也适用于光。 爱因斯坦运用了光量子(Lichtquant)这个术语。

20世纪初,物理学的新革新将再次依赖于光的实质。 这一次,它不是关于光线是粒子仍是波涛,是否是两者兼而有之。

现代光与光子理论

爱因斯坦以为光是粒子(光子),光子流是波。 这位德国物理学家坚信,在发现光电效应之后,光具有粒子性质,其间电子从暴露在光线下的金属表面飞出。 假如光是波,那就不或许发作。 另一个令人费解的问题是当施加强光韶光电子怎么繁衍。 爱因斯坦经过说“光自身便是一个粒子”解说了光电效应,他后来获得了诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦光量子理论的关键是光的能量与其振动频率有关。 他以为光子的能量等于“普朗克常数振动频率”,这个光子能量是振动频率的高度,而光强度对应于光子数量。 光的各种特性是一种电磁波,是因为肉眼看不到的称为光子的极小粒子的行为。

爱因斯坦估测,当物质内的电子与光子发作磕碰时,前者会吸收后者的能量并飞出,并且发射的光子的振动频率越高,飞出的电子能量就越大。太阳能电池板便是这样。简而言之,他说光是光子流,这些光子的能量是它们振动频率的高度,光的强度与光子的数量有关。

爱因斯坦能够经过他对光电效应的试验得出普朗克常数来证明他的理论。 他的核算成果显现普朗克的常数值为h=6.6260701510^(-34) Js,这正是马克斯普朗克经过他对电磁波的研讨在1900年得出的数值。 毫无疑问,这指出了作为波的光的性质和振动频率之间的密切关系以及作为粒子的光的性质和动量。 后来,在20世纪20年代,奥地利物理学家欧文薛定谔用他的量子波函数方程具体论述了这些观念,以描绘波的姿态。

首张光是粒子又是波的相片

自爱因斯坦展现光的两层性质以来已有一百多年的前史,瑞士洛桑联邦理工学院的物理学家捕捉到了这种两层行为的首张快照。 由Fabrizio Carbone领导的团队在2015年进行了一项奇妙的试验,其间运用激光射击纳米线,导致电子振动。 光在这两条或许的方向上沿着这条细线传达,就像高速公路上的轿车相同。当沿相反方向跋涉的波涛互相相遇时,它们会构成一个看起来像是站在原位的新波涛。 在这里,该驻波成为试验的光源,在纳米线周围辐射。 发射了一束新的电子来对驻波光进行成像,它能够作为光波特性的指纹。 成果如上图所示。

光子看起来像什么

你有没有想过光子是什么形状? 几十年来,科学家们一直在考虑这个问题。

第一张单一光粒子的全息图

2016年,波兰物理学家发明了第一张单生物一光粒子的全息图。 华沙大学的团队经过在由方解石晶体制成的分束器一起发射两束光束来制造全息图。 分束器类似于交通灯交叉点,因而每个光子能够直接经过或转弯。 当光子自身时,每条途径都是相同或许的,但当触及更多光子时,它们会相互作用并且几率会发作变化。 假如你知道其间一个光子的波函数,就能够从探测器上呈现的亮光方位中找出第二个光子的形状。 得到的图画看起来有点像马耳他十字架,就像从薛定谔方程猜测的波函数相同。

关于光子的5个现实

  • 光不只由光子组成,并且一切电磁能(即微波,无线电波,X射线)都由光子组成。
  • 开始的光子概念是由爱因斯坦提出来的。 但是,科学家吉尔伯特牛顿路易斯首先用“光子”这个词来描述它。
  • 宣称光表现为波和粒子的理论称为波粒二象性理论。
  • 光子一直是电中性的。 他们没有消耗电能。
  • 光子不会自行衰变。

光子概念的价值

光子的概念带动了理论和试验物理学在多个范畴的巨大发展,例如激光、玻色-爱因斯坦凝集、量子场论、量子力学的核算诠释、量子光学和量子核算等等。

在物理学外的其他范畴里,光子概念也具有许多重要使用,比方光化学、高分辩显微术,以及分子距离丈量等。

在今世相关研讨中,光子是研讨量子核算机的根本元素,也在杂乱的光通信技能,例如量子密码学等范畴有重要的研讨价值。

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