Question

光子本质是什么

Answer 1

概念

原始称呼是光量子（light quantum），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为γ。其静止量为零，不带荷电，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，ε=hv，在真空中以光速c运行，其自旋为1，是玻色子。早在1900年，M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设，物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的，一份一份的，每一份的能量为hv；1905年A.爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性，爱因斯坦称之为光量子；1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念被广泛接受和应用，1926年正式命名为光子。量子电动力学确立后，确认光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。带电粒子通过发射或吸收光子而相互作用，正反带电粒子对可湮没转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。

光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分子就从基态变成了激发态。
光子具有能量，也具有动量，更具有质量，按照质能方程，E=MC^2=HV,求出M=HV/C^2,
光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质量。

光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。

光子与经典电磁理论
命名
光子起初被爱因斯坦命名为光量子[7] 。 光子的现代英文名称photon源于希腊文 φῶς （在罗马字下写为phôs），是由物理化学家吉尔伯特·路易士在他的一个假设性理论中创建的[11] 。光子的现代英文名称photon源于希腊文 φῶς （在罗马字下写为phôs），是由物理化学家吉尔伯特·路易士在他的一个假设性理论中创建的[11] 。 在路易士的理论中， photon指的是辐射能量的最小单位，其“不能被创造也不能被毁灭”。在路易士的理论中， photon指的是辐射能量的最小单位，其“不能被创造也不能被毁灭”。 尽管由于这一理论与大多数实验结果相违背而从未得到公认， photon这一名称却很快被很多物理学家所采用。尽管由于这一理论与大多数实验结果相违背而从未得到公认， photon这一名称却很快被很多物理学家所采用。 根据科幻小说作家、科普作家艾萨克·阿西莫夫的记载， 阿瑟·康普顿于1927年首先用photon来称呼光量子[12] [13] 。根据科幻小说作家、科普作家艾萨克·阿西莫夫的记载， 阿瑟·康普顿于1927年首先用photon来称呼光量子[12] [13] 。
在物理学领域，光子通常用希腊字母γ （音： Gamma ）表示，这一符号有可能来自由法国物理学家维拉德 （ Paul Ulrich Villard ）于1900年发现的伽玛射线 [14] [15] ，伽玛射线由卢瑟福和英国物理学家安德雷德 （ Edward Andrade ）于1914年证实是电磁辐射的一种形式[16] 。在物理学领域，光子通常用希腊字母γ （音： Gamma ）表示，这一符号有可能来自由法国物理学家维拉德 （ Paul Ulrich Villard ）于1900年发现的伽玛射线 [14] [15 ] ，伽玛射线由卢瑟福和英国物理学家安德雷德 （ Edward Andrade ）于1914年证实是电磁辐射的一种形式[16] 。 在化学和光学工程领域，光子经常被写为h ν ，即用它的能量来表示；有时也用f来表示其频率，即写为h f 。在化学和光学工程领域，光子经常被写为h ν ，即用它的能量来表示；有时也用f来表示其频率，即写为h f 。

物理性质
用费曼图表示的正电子 - 负电子散射（也叫做BhaBha散射 ），波浪线表示交换虚光子的过程
参见： 狭义相对论
从波的角度看，光子具有两种可能的偏振态和三个正交的波矢分量，决定了它的波长和传播方向；从粒子的角度看，光子静止质量为零[4] ，电荷为零[17] ， 半衰期无限长。 光子是自旋为1的规范玻色子，因而轻子数 、 重子数和奇异数都为零。

光子的静止质量严格为零，本质上和库仑定律严格的距离平方反比关系等价，如果光子静质量不为零，那么库仑定律也不是严格的平方反比定律[18] 。 所有有关的经典理论，如麦克斯韦方程组和电磁场的拉格朗日量都依赖于光子静质量严格为零的假设。 从爱因斯坦的质能关系和光量子能量公式可粗略得到光子质量的上限：（公式缺）
这里？即是光子质量的上限， ？是任意电磁波的频率，位于超低频段的舒曼共振已知最低频率约为7.8赫兹。

这个值仅比现在得到的广为接受的上限值高出两个数量级。
参见光子：规范玻色子一节中对光子质量的讨论。
光子能够在很多自然过程中产生，例如：在分子、 原子或原子核从高能级向低能级跃迁时电荷被加速的过程中会辐射光子，粒子和反粒子 湮灭时也会产生光子；在上述的时间反演过程中光子能够被吸收，即分子、原子或原子核从低能级向高能级跃迁，粒子和反粒子对的产生。
在真空中光子的速度为光速，能量 和动量p之间关系为（公式缺）； 相对论力学中一般质量为？的粒子的能量动量关系为（公式缺）。
光子的能量和动量仅与光子的频率ν有关；或者说仅与波长λ有关光子的能量和动量仅与光子的频率ν有关；或者说仅与波长λ有关 。

从而得到光子的动量大小为 ？
其中？ 也叫做狄拉克常数或约化普朗克常数 ， k是波矢，其大小也叫做狄拉克常数或约化普朗克常数 ，方向指向光子的传播方向；？叫做波数 ；？ 是角频率 。 光子本身还携带有与其频率无关的内秉角动量？： 自旋角动量 ？，其大小为光子本身 ，并且自旋角动量在其运动方向上的分量(这一分量在量子场论中被称作helicity )一定为 ？ ，两种可能的值分别对应着光子的两种圆偏振态（右旋和左旋）。

从光子的能量、动量公式可导出一个推论：粒子和其反粒子的湮灭过程一定产生至少两个光子。 原因是在质心系下粒子和其反粒子组成的系统总动量为零，由于动量守恒定律 ，产生的光子的总动量也必须为零；由于单个光子总具有不为零的大小为 的动量，系统只能产生两个或两个以上的光子来满足总动量为零。 产生光子的频率，即它们的能量，则由能量-动量守恒定律 （四维动量守恒）决定。 而从能量-动量守恒可知，粒子和反粒子湮灭的逆过程，即双光子生成电子-反电子对的过程不可能在真空中自发产生。

光子具有波粒二象性，即说光子像一粒一粒的粒子的特性又有像声波一样的波动性，光子的波动性有光子的衍射而证明，光子的粒子性是由光电效应证明。

上面有人认为光子的动质量为零是错误的，光子的静质量为零，否则的话其动质量将为无穷大。但其动质量却是存在的，计算方法是这样的：首先，由于频率为v的光子的能量为
E＝hv，（其中h为普朗克常数），故由质能公式可得其质量为：m＝E/c^2=hv/c^2
其中c^2表示光速的平方。该方法由爱因斯坦首先提出。

经典的波有群速度与相速度之分。
光子的速度就是光速。
光子有速度、能量、动量、质量。光子不可能静止。光子可以变成其它物质（如一对正负电子），但能量守恒、动量守恒。

华中科大罗俊教授重新确定光子静止质量上限
华中科技大学教授重新确定光子静止质量上限，有业内人士认为：光子静止质量为零是经典电磁理论的基本假设之一。但有些科学家则认为，光子可能有静止质量。如果实验最终检测到光子存在静止质量，那么有些经典理论将要有所变化。
在2月28日出版的美国《物理学评论快报》（PhysicalReviewLetters） 上，有专文介绍说：“一项由中国科学家罗俊等完成的新的实验表明，在任何情况下，光子的静止质量都不会超过10的负54次方千克，这一结果是之前已知的光子质量上限的1／20。”罗俊和他的同事通过一种新颖的实验方法，在一个山洞实验室里将光子静止质量的上限，进一步提高了至少一个数量级。
据悉，如果光子存在静止质量，虽然不会影响到人们的日常生活，但其产生的后果将是根本性的———例如，光速将随波长的改变而变化，并且光波将像声波一样能够产生纵向振动。

Answer 2

我们一睁开眼就可以看到“光”，那么什么是光呢？“光”的组成本质和结构又是什么呢？希望本期的视频对您有所帮助！

Answer 3

电磁场的一个信使粒子，光的一个能量子

Answer 4

光即具有波动性，也具有粒子性。光的本质是能量的一种存在方式。

Answer 5

光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态