「光子」是什麼東西？

「光子」(Photon)這個字是由一位叫吉伯特．路易斯(Gilbert N. Lewis)於1926年 ... skiptomain| skiptosidebar AboutMe A-Chi Viewmycompleteprofile Labels Study+ (5) 工作雜記 (4) 知識+ (4) BlogArchive ►  2013 (1) ►  May (1) ►  2009 (1) ►  July (1) ►  2008 (8) ►  December (2) ►  November (1) ►  August (4) ►  April (1) ►  2007 (2) ►  October (1) ►  June (1) ▼  2006 (1) ▼  June (1) 「光子」是什麼東西？ Thursday,June22,2006 「光子」是什麼東西？ 要講色彩就先要了解光，因為沒有光就看不到色彩。

而"光"這東西，要一時間內講明白似乎也不是件太容易的事，必竟光在物理界裡至今還有很多道理是沒能搞清楚的！今天先來談談「光子」這個東西吧！那為什麼要提「光子」呢？因為「光子」跟之後會提到「黑體輻射」有關係，而「黑體輻射」則和「太陽光譜」有關係，所以我們先了解一下「光子」之後再來說明「黑體輻射」，然後再找機會說明「太陽光譜」。

不過「光子」到底是什麼？會有什麼作用？會有什麼影響？我其實並不是那麼了解(必竟我不是物理系出身)，因此以下我將引用石明豊教授所發表過的文章來說明「光子」。

「光子」(Photon)這個字是由一位叫吉伯特．路易斯(GilbertN.Lewis)於1926年所提出，是用來稱呼愛因斯坦所提出電磁波量子化現象中的粒子(愛因斯坦於1905年發現光電效應的解釋)。

但是「光子」觀念的產生可追溯到19世紀中，當時黑體輻射(blackbodyradiation)正被大家討論與注意之時。

當時的的鐵匠知道當金屬加熱到一定的溫度時，金屬就會發出可見光，從較低溫的暗紅色到較高溫的藍色光，由金屬發光的亮暗與顏色，就可以判斷金屬的溫度是否可以鍛造。

19世紀中，物理學家已能解釋高溫的金屬之所以發光，是由於金屬上的電荷因處於高溫狀態而激烈運動，因而發出可見光波段的電磁波，並把這種因為溫度造成物體所發出的電磁波稱為黑體輻射。

在1850年代末期，熱力學和電磁學大師克希何夫（G.R.Kirchhoff）對上述現象感到興趣，並開始研究黑體輻射問題。

克希何夫在某一固定溫度由某種材質所製作的表面上有一小孔的中空容器，並推論如果小孔面積遠小於這容器的內壁面積，由這個小孔離開容器的電磁輻射就相當於黑體輻射。

其在各個電磁波段能量的比重（即頻譜），和中空容器的材質與容器的形狀都沒有關係，唯一對電磁波頻譜造成影響的只有溫度。

(在當時克希何夫並無法得到頻譜的溫度函數)但黑體輻射頻譜最終的正確形式是由蒲朗克（MaxPlanck）所發現。

蒲朗克推論既然黑體輻射的頻譜函數與中空容器的材質和形狀無關，那他可以任意假設這個中空容器就是一個長方體的金屬盒。

(從電磁學可以說明長方體內可存在電磁波，而從熱力學又可了解到，溫度會造成電荷激烈運動並因而發出電磁波，而這些電磁波也必須符合長方體內可存在的電磁波模式)之後蒲朗克在作了一個假設：「長方體內每一個可存在的電磁波模式，只有某個常數（就是後來所稱的蒲朗克常數，h）乘以該電磁波頻率整數倍的能量（即每一個電磁波模式的能量E=nhf，n是一正整數或零，f是該電磁波的頻率），可以和長方體的內壁作用。

」當他作了這個假設後，他計算得到黑體輻射頻譜與溫度的關係式（稱為輻射定律RadiationLaw）。

19世紀末，有另一個著名但無法解釋的實驗—“光電效應實驗”。

該實驗發現當有光照在金屬板上時，可以量到電流（即某些電子被光照射後，可以得到足夠的動能，克服兩金屬板間的電位能差，由一金屬板飛到另一金屬板，形成電流），而沒有光時，就量不到電流。

並從而觀察到下列三種情況：第一、增加照射光強度，只能增加電流，卻無法增加電子的動能。

第二、不管多強的紅光都無法產生光電流。

第三、即使用非常弱的紫光去照射，也可以產生光電流，而所激發出來的電子動能也比用強的藍光激發出的電子的動能大。

1905年，愛因斯坦把蒲朗克所提出的理論，加以一個更深的物理意義，認為光就是一個一個獨立的粒子，而每個光量子的能量就是光的頻率乘以蒲朗克常數。

他認為電磁波能量必須是整數個能量包，那麼由光量子所激發出來的電子的能量應該和電磁波的照度無關，只和電磁波的頻率有關。

嚴格地說，激射出來的電子的動能應該等於電磁波一個能量包的能量，減掉電子脫離金屬所需的能量（稱為金屬的功函數）。

如果我們增加電磁波的照度，增加的只是發射出的電子數目和因此而增加的電流，和電子的動能沒有關係。

以這樣的解釋，就可以完全理解光電效應實驗為什麼會有那樣的結果。

總之愛因斯坦提出電磁波的量子化觀念及光的粒子說，不還不能獲得大多數人的認同。

其中蒲朗克也無法完全接受光的粒子說，在他的觀念裡，「應該把量子理論的問題轉化成物質能量和電磁波之間的交互作用。

」←這即是「半古典方法」（semiclassicalapproach）最原始的想法，也就是把電磁波以古典的方式處理，其振幅可以是連續的，並不需要把它當成粒子，而只有物質的能量態是量子化的。

電磁波可以傳給物質的能量大小，就是這個物質量子態之間的能量差。

(即使到現在，半古典方法仍然有它的一席之地。

目前仍有很多的教科書，就以半古典方法來計算光電效應)在1912年，由愛因斯坦所提出的光電效應解釋的推論，首先被理察生以實驗觀察到，之後密立根完整地完成實驗，並據以得到精確的蒲朗克常數。

在1922年，康普敦則以Ｘ射線散射電子的實驗，進一步證實光的粒子性，在這個實驗裡，他甚至還觀察到光的粒子帶有動量。

但是光的粒子到底是什麼，還是一個大問題。

因為光具有的粒子性的說法並無法解釋楊氏干涉實驗裡，光子在走了不同的距離後，仍然可以和自己干涉的現象。

因此，電磁波具有粒子和波動兩種看似矛盾性質的問題，還無法得到有確實的說明。

1916年愛因斯坦回過頭來，重新思考蒲朗克的輻射定律。

在當時，由原子光譜實驗已經知道，原子在躍遷時分成兩種，對應到暗線光譜的，是原子吸收光子由能量低的狀態躍遷到能量高的狀態，而對應到亮線光譜的，是原子由能量高的狀態躍遷到能量低的狀態並發射出光子。

因此，愛因斯坦假設物質與周遭的電磁輻射達到熱平衡，而物質要能達到熱平衡，則原子在躍遷時必須分成三種類型：自發輻射－即在高能階狀態的原子會自然地落到低能階狀態，並發出一個光子；受激吸收－即在低能階狀態的原子會吸收一個光子而跳到高能階狀態；受激輻射－即在高能階狀態的原子會受到其他光子的激發而落到低能階狀態，同時發出一個光子。

(因為受激輻射的存在，使得40年後科學家得以成功地發明雷射)在1927年，狄拉克成功地把電磁波用全量子化來處理，之後這個理論發展完備，便成為量子電動力學。

這個理論的確成功地超越了光的粒子和波的二重性，解決了半古典方法所不能解決的問題，同時也發現在沒有任何電磁波的真空中，有導因於真空電磁擾動的「零點能量」（zeropointenergy）。

而且，原本無法理解自發輻射會自然發生的原因，也獲得了解答。

就是可以把自發輻射當作是受激輻射的一種，而激發其發生的光子就是來自真空電磁擾動。

(之後有更多的證據支持電磁波的全量子化，其中最有名的就是1947年所觀察到的蘭姆偏移)直到現在，許多科學家仍在研究光子。

這其中，糾纏光子對、多光子干涉，量子拍頻、遠距量子傳輸、量子通訊等都是其中熱門的研究題目，而且量子電動力學的理論就已經足夠用來解釋這些結果。

但是我們仍然對這兩個問題－什麼是光子？光子在哪裡？沒有答案。

也許在1926年，當路易斯在命名「光子」時，他並沒有預料到「光子」到了下一個世紀，仍然保持著謎樣的身分。

參考資料：1.http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2005_122/06-11.pdf《科學發展》2005年11月，395期，6～11頁(石明豊，臺灣大學物理學系)2.http://www.nobeliefs.com/photon.htm3.http://notes.chem.usyd.edu.au/course/masters/Chem1/Special%20Topics/Acids%20Bases%20Amphoterism/lewis.htm Postedby A-Chi at 5:23PM Labels: Study+ Nocomments: PostaComment NewerPost Home Subscribeto: PostComments(Atom) 最新回應 Loading... MessageBoard Links CAMBRIDGEINCOLOUR imatest Brucelindbloom AreaX Analytics CreativeCommons 本著作係採用創用CC姓名標示-非商業性-禁止改作2.5台灣授權條款授權.