[科普中國(guó)]-高能光子

高能光子是指處在高頻率的光子，光子頻率越高，能量越高。紫外光、X光、伽馬射線都屬于高能光子的范圍。

光子是量子光學(xué)中的術(shù)語，它是一種基本粒子，是電磁輻射的量子，這種作用力的效應(yīng)在微觀層次或宏觀層次都可以很容易地觀察到。

光子的量子關(guān)系式光子遵守基本量子關(guān)系式1：

其中：E為能量；h為普朗克常數(shù)；為約化普朗克常數(shù)或稱狄拉克常數(shù)，；ν為頻率；ω為角頻率，ω= 2πν；P為動(dòng)量的大?。沪藶椴ㄩL(zhǎng)；k為波數(shù)。

光子結(jié)構(gòu)的測(cè)量所謂光子結(jié)構(gòu)的測(cè)量，在量子色動(dòng)力學(xué)中是指觀測(cè)光子場(chǎng)的量子漲落，這種能量漲落用一個(gè)光子的結(jié)構(gòu)方程來描述。目前對(duì)光子結(jié)構(gòu)的測(cè)量一般都依賴于對(duì)光子與電子，以及正負(fù)電子的對(duì)撞時(shí)的深度非線性散射的觀測(cè)。

高能光子與物質(zhì)的相互作用光子在透明物質(zhì)中的傳播速度要小于其在真空中的速度。2例如在太陽(yáng)內(nèi)核產(chǎn)生的光子在到達(dá)太陽(yáng)表面的路程中要經(jīng)過無數(shù)次碰撞，到達(dá)表面所需時(shí)間可達(dá)一百萬年，而一旦輻射到太空中只需8.3分鐘就可到達(dá)地球。基于經(jīng)典電磁理論的波動(dòng)光學(xué)對(duì)此的解釋是光波的電場(chǎng)引起了物質(zhì)內(nèi)部電子的極化，極化場(chǎng)和原有的光電場(chǎng)發(fā)生干涉造成波的延遲，這種效應(yīng)在宏觀上表現(xiàn)為幾何光學(xué)的折射率；而從光量子的角度來看，這個(gè)過程可以被描述為光子與處于激發(fā)態(tài)的物質(zhì)粒子（準(zhǔn)粒子，如聲子或激發(fā)子）混合成為一個(gè)偏振子，偏振子具有非零的有效質(zhì)量，這意味著它的運(yùn)動(dòng)速度不能達(dá)到光速。對(duì)于不同頻率的光，在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)速度可能是不同的，這種現(xiàn)象叫做色散。偏振子的傳播速度是光波的群速，是真正的光波能量的傳播速度，由能量對(duì)動(dòng)量的導(dǎo)數(shù)給出：

公式中變量的意義同前，和是偏振子的能量和動(dòng)量，和是其角頻率和波數(shù)。光子與其他準(zhǔn)粒子的相互作用能夠從拉曼散射和布里淵散射中觀測(cè)到。

光子也能夠被分子、原子或原子核吸收，引發(fā)它們能級(jí)的躍遷。

技術(shù)應(yīng)用這里討論的是光子在當(dāng)今技術(shù)中的應(yīng)用，而不是泛指可在傳統(tǒng)光學(xué)下應(yīng)用的光學(xué)儀器（如透鏡）。激光的原理是上文討論的受激輻射。

對(duì)單個(gè)光子的探測(cè)可用多種方法，傳統(tǒng)的光電倍增管利用光電效應(yīng)：當(dāng)有光子到達(dá)金屬板激發(fā)出電子時(shí)，所形成的光電流將被放大引起雪崩放電。電荷耦合元件（CCD）應(yīng)用半導(dǎo)體中類似的效應(yīng)，入射的光子在一個(gè)微型電容器上激發(fā)出電子從而可被探測(cè)到。其他探測(cè)器，如蓋革計(jì)數(shù)器利用光子能夠電離氣體分子的性質(zhì)，從而在導(dǎo)體中形成可檢測(cè)的電流。

普朗克的能量公式經(jīng)常在工程和化學(xué)中被用來計(jì)算存在光子吸收時(shí)的能量變化，以及能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)射光的頻率。例如，在熒光燈的發(fā)射光譜的設(shè)計(jì)中，會(huì)使用擁有不同電子能階的氣體分子，然后調(diào)整電子的能量并且用這些電子去碰撞氣體分子，這樣，可以得到想要的熒光。

在某些情形下，單獨(dú)一個(gè)光子無能力激發(fā)一個(gè)能級(jí)的躍遷，而需要有兩個(gè)光子同時(shí)激發(fā)。這就提供了更高分辨率的顯微技術(shù)，因?yàn)闃悠分挥性趦墒煌伾墓馑丈涞母叨戎丿B的部分之內(nèi)才會(huì)吸收能量，而這部分的體積要比單獨(dú)一束光照射到并引起激發(fā)的部分小很多，這種技術(shù)被應(yīng)用于雙光子激發(fā)顯微鏡中。而且，應(yīng)用弱光照射能夠減小光照對(duì)樣品的影響。

有時(shí)候兩個(gè)系統(tǒng)的能級(jí)躍遷會(huì)發(fā)生耦合，即一個(gè)系統(tǒng)吸收光子，而另一個(gè)系統(tǒng)從中“竊取”了這部分能量并釋放出不同頻率的光子。這是熒光共振能量傳遞的基礎(chǔ)，被應(yīng)用于分子生物學(xué)來研究蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用.。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所