光的粒子性：光子

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简介

阿尔伯特·爱因斯坦基于金属在与光接触时会释放电子的事实，发现了光的粒子性。电磁效应与光的这种性质密不可分。根据阿尔伯特·爱因斯坦的理论，电磁能与量子显著的能量包相关联，这些能量包也称为光子。根据先前和传统的观察，发射出的电子受光波长的影响很大。释放出的电子直接受到光强度的影响。大多数科学家以前认为这是波。电子发射实验与光子的光电效应有关。

光的粒子性的特征

根据科学家的传统概念，光以波的形式传播。随着光电效应实验的进行，这一事实表明光具有能量包。除此之外，其他形式的能量也包含显著的能量量子。光子仅仅是能量和包含能量的能量包的组成部分（Cardoso 等人，2018）。太阳将粒子转化为光和热等光子的例子是粒子重要的特征。

• 发现较长的波比较短的波包含更少的能量。

• 较长的波主要呈橙色和红色。

• 较短的波包含能量包和更高数量的光子。

• 波长能量越高，从金属表面提取的电子数量就越多且更显著。

光子的重要特性

• 光子被发现是辐射和电磁能量中最小的量子。

• 光子的能量可以表示为等同于振荡频率。普朗克常数和光源的频率也与光子的概念有关。

• 在“E=hv= hc/nλ”的方程式中，v指的是频率。普朗克常数也由'h'表示在该方程式中。在该方程式中，A表示波长。

• 光子没有电荷，并且本质上是稳定的。

• 光子的动量可以用公式p= hv/c表示。

• 康普顿效应也被称为光子与电子相互作用时的连续现象。

• 理论上，光子没有质量。

关于光子的有趣因素

X 射线、无线电波和微波是由光子组成的电磁能的一些重要例子。在空旷的空间中，光子即使在光速下也能传播。光子的总电荷始终为 0，因此被称为“电中性”（An 等人，2020）。另一个重要的事实是，光子不会衰变。

• 光子在真空中以 2.99*108 ms1 的速度传播。

波粒二象性的本质

光子赋予每个粒子的特性，可以用其表示光的成分。波粒二象性与英国科学家托马斯·杨提出的波的形式有关。根据他重要的干涉实验，解释了波粒二象性的真实本质。

图 1：波粒二象性

单色波与这个概念密不可分。能量量子与光波以粒子的形式出现的事实有关。

双缝实验

光的二象性与杨氏双缝实验密不可分。在这种类型的实验中，电子被发现卡在双缝介质上。这些行为通常导致定义证明光的波动特性在本质上是显著且独特的（Alonso-Álvarez 等人，2020）。“光不仅是波，也是粒子”这句话可以被认为是这一论断的证明。波和粒子的特征都存在于光子的特征中。

图 2：双缝实验

当光与某些金属相互作用时，光的性质会直接发生作用。在这个过程中也会发现自由电子。在光传播领域，波动性很突出。光显著地表现出波粒二象性，这在电磁场中起着重要作用。

德布罗意物质波

根据德布罗意的观点，每种物质都具有波粒二象性。不同的物质通过干涉和衍射等波动特性表现出来。方程式 E=hv、p=hc/(λ) 对于理解物质的二象性非常重要。根据这个方程式，E 表示能量值，而 v 表示频率值，h 是普朗克常数。普朗克常数的值可以表示为 6.627*1027。该方程式中的 c 表示光速，λ 表示光的波长。根据这个方程式，可以定义和解释光与光电效应之间的关系。

图 3：双缝实验

根据一些重要的质子特性来确定这些物质的值。两个最重要的理论是“量子场论”和“海森堡测不准原理”。关于现代物理学，波粒二象性在分析电磁能方面发挥着重要作用。

光子的光电效应

1887 年，海因里希·赫兹首次发现了光电过程。在光电效应中，材料吸收电磁辐射会导致带电粒子从材料中释放出来。

图 4：光电效应

光电效应证明了光的粒子性（Döbrich 等人，2019）。

当光子撞击金属表面并发射电子时，就会发生光电效应。当光子击中金属表面时，如果光子能量低于阈值，则不会发射电子。但是，具有较高阈值的光子会导致能量从光子传递到电子，从而导致电子发射。电子发射依赖于光的波长。

结论

光的粒子性有助于提高光的整体强度。辐射过程也会影响光子的数量。光子的一个重要特征是它不受不同磁场和电场的影响。光子是一种本质上是自旋 1 的粒子。光子的自旋轴本质上是平行的。光的偏振也受到光子特性的支持。在光子-电子碰撞过程中，动量和总能量守恒。光是由显著的电磁辐射产生的，这有助于对电磁波谱进行分割。这种电磁波谱对人眼可见。

常见问题

Q1. 光子包含质量吗？

光子没有质量。由于光子没有质量，因此它们遵循 E=pc，因此从动量中获取能量。

Q2. 电子何时发射？

当任何物质受到显著的电磁辐射照射时，就会发生电子发射。粒子的有效能量很有用，因为它有助于提高频率水平。

Q3. 哪种类型的碰撞与光子的发射有关？

弹性碰撞，其中收集总动量和能量，与光子有关。光子在发生显著碰撞后将能量传递给其他粒子。

Q4. 光子作为载体的另一个作用是什么？

光子也被称为电磁力的载体。光子构成光的重要组成部分。

Q5. 光的粒子性和波动性有什么区别？

光的波粒二象性是量子力学的一个概念。光的波动性表明光表现为电磁波，而光的粒子性表明光是由称为光子的微小粒子组成的。

参考文献

期刊

Alonso-Álvarez, G.，Ertas, F.，Jaeckel, J.，Kahlhoefer, F. 和 Thormaehlen, L. J. (2020)。XENON1T 和恒星冷却的光下隐藏的光子暗物质。宇宙学和天体粒子物理学杂志，2020(11)，029。检索自：https://arxiv.org

An, H.，Pospelov, M.，Pradler, J. 和 Ritz, A. (2020)。太阳辐射和 keV 尺度暗物质对暗光子的新限制。物理评论 D，102(11)，115022。检索自：https://link.aps.org

Cardoso, V.，Dias, Ó. J.，Hartnett, G. S.，Middleton, M.，Pani, P. 和 Santos, J. E. (2018)。通过黑洞超辐射约束暗光子和类轴子粒子的质量。宇宙学与天体粒子物理学杂志，2018(03)，043。检索自：https://arxiv.org

Döbrich, B.，Jaeckel, J. 和 Spadaro, T. (2019)。光束转储中的光。质子束转储中类轴子粒子从衰变光子产生。高能物理杂志，2019(5)，1-23。检索自：https://link.springer.com

网站

Discovery (2022)。关于双缝实验彻底改变了现实

检索自：https://www.discovery.com/ [检索日期：2022年6月7日]