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光量子(Light Quantum)

 

光量子(Light Quantum),光子(Photon)

一開始愛因斯坦將電磁輻射量子化的現象命名爲光量子(light quantum)。至於光子的現代英文名稱photon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。在路易士的理論中,photon指的是輻射能量的最小單位,其特性是“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。根據科普作家艾薩克-阿西莫夫的記載,亞瑟-康普頓於1927年首先用photon來稱呼光量子。

關於光的本質,我們須要先回顧一下歷史:到十八世紀為止的大多數理論中,光被描述成由無數微小粒子組成的物質。由於微粒說不能輕易地解釋光的折射、繞射和雙折射等現象,笛卡爾(1637年)、虎克(1665年)和惠更斯(1678年)等人提出了光的力學波動理論;但在當時由於牛頓的權威影響力,光的微粒說仍然佔有主導地位。十九世紀初,托馬斯-楊和菲涅爾的實驗清晰地證實了光的干涉和繞射特性,到1850年左右,光的波動理論已經完全被學界接受。1865年,馬克士威的理論預言光是一種電磁波,接著赫茲在1888年完成證實電磁波存在的實驗,到這裡光的微粒說似乎已經走到了它的歷史盡頭。

馬克士威的光的電磁理論將光描述為振動的正交電場和磁場,這一理論在1900年左右似乎已經相當完備,然而電磁理論不能解釋所有的實驗現象,這導致普朗克、愛因斯坦相繼提出用來描述能量最小單位的光量子假說產生。光量子是電磁輻射的量子,傳遞電磁相互作用的規範粒子,其靜止量爲零,不帶電荷,其能量爲普朗克常數和電磁輻射頻率的乘積,即E=hv,在真空中以光速c運行,其自旋爲1,是玻色子。在1900年,普朗克為了成功解釋黑體輻射的能量分佈時作出量子假設,即:物質振子與輻射之間的能量交換是不連續的,是一份一份的,每一份的能量爲hv,1905年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,愛因斯坦稱之爲光量子。

與大多數基本粒子相比,光子的靜止質量爲零,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:光子能夠表現出像力學波的折射、干涉、繞射等波動性質;而光子的粒子性則表現爲和物質相互作用時不像古典物理學中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。