“光子”是传递电磁相互作用的基本粒子

光量子，简称光子，是一种传递电磁相互作用的基本粒子，也是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，在量子场论中，光子被认为是电磁相互作用的媒介。与大多数基本粒子(如电子和夸克)相比，光子没有静止质量(在爱因斯坦的运动质量公式中，光子的v = C，使得公式的分母为零，但光子的运动质量m有一个有限值，所以光子的静止质量必须为零。)，光子有速度、能量、动量和质量，这意味着它们在真空中的传播速度是光速。

光子的概念是由爱因斯坦在1905年至1917年间提出的。当时普遍接受的光是电磁波的经典电磁理论不能解释光电效应等实验现象。与当时在麦克斯韦方程框架下量子化物质吸收和发射光的能量的其他半经典理论相比，爱因斯坦首先提出光本身是量子化的。这种光量子(英文:light quantum，德文:Dascht quantum)称为光子。这一概念的形成导致了许多领域的实验和理论物理的巨大进步，如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计解释、量子光学和量子计算。根据粒子物理的标准模型，光子是所有电场和磁场的起因，它们的存在是满足空间和时间中每一点的物理定律的特定对称性要求的结果。光子的内在性质，如质量、电荷和自旋，是由正则对称性决定的。

1905年，年轻的爱因斯坦发展了普朗克的量子理论。他认为电磁辐射在本质上是不连续的，无论是在原子发射和吸收时，还是在传播过程中。爱因斯坦把它们简称为“光量子”或“光子”，并用光量子理论解释了光电效应，这成为爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖的主要原因。后来，康普顿散射进一步证实了光的粒子性质。这表明，不仅在吸收和发射中，而且在弹性碰撞时也具有粒子的性质，既是能量粒子又是动量粒子。这样，光既有波(电磁波)又有粒子(光子)，即波粒二象性。后来，德布罗意将波粒二象性扩展到所有微观粒子。

光子具有能量ε=hν和动量p = h ν/c，并且是自旋为1的玻色子。它是电磁场的量子，是电磁相互作用的传播体。当原子中的电子经历能级跃迁时，它们会发射或吸收能量等于能级差的光子。当正负粒子相遇时，它们会湮灭并转化成几个光子。光子本身不带电，它的反粒子是它自己。光子的静态质量为零，不管观察者的运动状态如何，它总是以光速在真空中运动。由于光速恒定的特殊重要性，它已经成为建立狭义相对论的两个基本原则之一。

像其他量子一样，光子具有波粒二象性:光子可以表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质(关于光子的涨落是经典电磁理论描述的电磁波的涨落还是量子力学描述的概率波的涨落，请参考下面的波粒二象性和不确定性原理)；然而，光子的粒子性质表明，当光子与物质相互作用时，光子不会像经典波那样传递任何价值的能量。光子只能传输量子化的能量，也就是说，普朗克常数是光波的频率。对于可见光，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这足以激发眼睛上的感光细胞分子，从而引起视觉。除了能量，光子还具有动量和偏振态。然而，由于量子力学定律的限制，单个光子没有确定的动量或偏振态，只有在测量其位置、动量或偏振态时获得相应特征值的概率存在。

光子的概念也适用于物理以外的其他领域，如光化学、双光子激发显微镜和分子间距测量。在当代相关研究中，光子是研究量子计算机的基本元素，在量子密码等复杂光通信技术领域也具有重要的研究价值。

影响

光子是传递电磁相互作用的基本粒子，也是规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，在量子场论中，光子被认为是电磁相互作用的媒介。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着它在真空中的传播速度是光速。像其他量子一样，光子具有波粒二象性:光子可以表现出经典波的折射、干涉、衍射和其他性质；然而，光子的粒子性质表明，当与物质相互作用时，光子不能像经典粒子那样传递任何值的能量，光子只能传递量子化的能量。

历史渊源

光子起源

早在1900年，当m·普朗克解释黑体辐射的能量分布时，他就提出了一个量子假设，即物质振荡器和辐射之间的能量交换是不连续的，一个接一个，每个的能量是hν；1905年，阿尔伯特·爱因斯坦进一步提出光波本身不是连续的，而是具有粒子的性质。爱因斯坦称它们为光量子。1923年，a . h .康普顿用光量子的概念成功地解释了x射线被物质散射时波长变化的康普顿效应，这一概念在1926年被广泛接受和应用，并正式命名为光子。

根据计算:

中子质量:1.674927211(84)×10-27千克；中子半径:1.11337557(48)费米；

质子质量:1.672621637(83)×10-27千克；质子半径:1.11286448(48)费米；

电子质量:9.10938215(45)×10-31kg；电子半径:0.090880914(40)费米；

光子质量:9.347543(38)×10-36千克；光子半径:0.0031349374(29)费米。

光子能量:4.200577(17)×10-19焦耳，2.621794(11)电子伏特；

光子频率:6.339470(26)×1014赫兹；

光子的波长为472.8983(20)纳米，刚好在青色光波长的中心约为473.5纳米。

当光的质量大于临界质量时，它很容易被电子吸收或散射。当光的质量小于临界质量时，它不容易被电子吸收，也就是说，它容易被电子发射。然而，接近临界质量的光子很容易被电子吸收并向不同方向发射，从而形成一片蓝天。

名称的来源

光子最初被爱因斯坦命名为光子。现代英语名称光子起源于希腊语(以罗马字母phocircs书写)，由美国物理化学家吉尔伯特·牛顿·刘易斯在他的一个假设理论中创造。在路易斯的理论中，光子指的是辐射能量的最小单位，它“不能被创造或破坏”尽管这一理论从未被认可，因为它与大多数实验结果相矛盾，但光子这个名称很快被许多物理学家采用。根据科幻作家和科普作家艾萨克·阿西莫夫的记录，阿瑟·康普顿在1927年首次称光子为光子。

在物理学中，光子通常用希腊字母γ来表示。这个符号可能来自法国物理学家维拉德在1900年发现的伽马射线。1914年，卢瑟福和英国物理学家安德拉德证实伽马射线是一种电磁辐射。在化学和光学工程领域，光子通常被写成h ν，用它的能量来表示。有时f也用来表示它的频率，也就是h f。

光子结构

光子结构的测量是指在量子色动力学中观察光子场的量子涨落，它是由光子的结构方程来描述的。光子结构的测量通常依赖于当光子与电子和正电子碰撞时对深度非线性散射的观察[80]。根据量子色动力学，光子不仅可以以非尺寸粒子即轻子的形式参与相互作用；它也可以以夸克和胶子的集合形式参与，即强子。光子结构不是由像质子一样的价夸克的传统分布决定的，而是由轻子的波动形成的部分光子的集合决定的。

光子理论

光子有速度、能量、动量和质量。光子不可能是静止的。光子可以变成其他物质(例如一对正负电子)，但能量和动量是守恒的。

种族发生

在直到18世纪的大多数理论中，光被描述为由无数微小粒子组成的物质。因为粒子理论不能轻易地解释光的折射、衍射和双折射现象，笛卡尔(1637)、胡克(1665)和惠更斯(1678)等人提出了光的(机械)波动理论。但当时，由于牛顿的权威影响，光的粒子理论仍然占据主导地位。19世纪初，托马斯·杨和菲涅耳的实验清楚地证实了光的干涉和衍射特性。大约到1850年，光波理论已经被学术界完全接受。1865年，麦克斯韦理论预言光是电磁波。赫兹在1888年完成了证明电磁波存在的实验，这似乎标志着光的粒子理论的完全终结。

然而，麦克斯韦理论下的光的电磁理论不能解释光的所有性质。例如，在经典电磁理论中，光波的能量只与波场的能量密度(光强)有关，而与光波的频率无关。然而，许多相关的实验，如光电效应实验，表明光的能量与光强无关，而仅与频率有关。一个类似的例子是，在一些光化学反应中，反应仅在照明频率超过某个阈值时发生，但是在任何情况下都不会发生将光强度增加到阈值以下的反应。

与此同时，许多物理学家进行了40多年(1860-1900年)的黑体辐射研究被普朗克假说终止了。普朗克提出，任何系统发射或吸收的电磁波能量总是e = h \ nu的整数倍。爱因斯坦提出的光量子假说可以成功解释光电效应，爱因斯坦获得了1921年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的理论进步在于，在麦克斯韦的经典电磁理论中，电磁场的能量是连续的，可以有任何值。然而，由于被物质发射或吸收的电磁波的能量是量子化的，许多物理学家试图找出物质中存在什么样的限制，从而将电磁波的能量限制在只有量子化的值。爱因斯坦创造性地提出电磁场本身的能量是量子化的。爱因斯坦没有质疑麦克斯韦理论的正确性，但他也指出，如果麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中在运动互不影响的光量子上，许多类似光电效应的实验可以很好地解释。在1909年和1916年，爱因斯坦指出，如果普朗克黑体辐射定律成立，电磁波的量子必须具有p = \ frac \uλ的动量，才能赋予它们完美的粒子性质。康普顿在1926年的实验中观察到了光子的动量。康普顿也因此获得了1927年诺贝尔奖。

爱因斯坦和其他人的工作已经证明了光子的存在。下面的问题出现了:麦克斯韦的光电磁理论如何与光量子理论相统一？爱因斯坦从未能找到一个理论来统一两者，但现在这个问题的答案已经包含在量子电动力学及其后续理论中:标准模型。