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高能光子（高能光子）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-16

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高能光子

高能光子顧名思義就是能量比較高的光子。我們能看見的光，就是普通光子。如果能量比普通光子高一點，就是紫外光光子；再高一點，就是X光；再高一點，就是γ射線；再高一點，就是伽馬射線。X光、γ射線、伽馬射線都屬于高能光子的范圍。

基本信息

中文名	高能光子
外文名	High energy photon
學科	物理

基本內(nèi)容

高能光子

一個高能光子可以產(chǎn)生一個正電子和一個負電子。一對正、負電子可同時湮沒，轉(zhuǎn)化成光子。

研究發(fā)現(xiàn)

2021年5月17日，中國科學院高能物理研究所公布，國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”記錄到1400萬億電子伏特（1.4PeV）的伽馬光子，這是人類迄今觀測到的最高能量光子，有助于進一步解開宇宙線的奧秘。

關系式

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，

；P為動量的大小；λ為波長；k為波數(shù)。

結(jié)構(gòu)的測量

所謂光子結(jié)構(gòu)的測量，在量子色動力學中是指觀測光子場的量子漲落，這種能量漲落用一個光子的結(jié)構(gòu)方程來描述。對光子結(jié)構(gòu)的測量一般都依賴于對光子與電子，以及正負電子的對撞時的深度非線性散射的觀測。

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。例如在太陽內(nèi)核產(chǎn)生的光子在到達太陽表面的路程中要經(jīng)過無數(shù)次碰撞，到達表面所需時間可達一百萬年，而一旦輻射到太空中只需8.3分鐘就可到達地球。基于經(jīng)典電磁理論的波動光學對此的解釋是光波的電場引起了物質(zhì)內(nèi)部電子的極化，極化場和原有的光電場發(fā)生干涉造成波的延遲，這種效應在宏觀上表現(xiàn)為幾何光學的折射率；而從光量子的角度來看，這個過程可以被描述為光子與處于激發(fā)態(tài)的物質(zhì)粒子（準粒子，如聲子或激發(fā)子）混合成為一個偏振子，偏振子具有非零的有效質(zhì)量，這意味著它的運動速度不能達到光速。對于不同頻率的光，在物質(zhì)中的運動速度可能是不同的，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，由能量對動量的導數(shù)給出：

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

光子也能夠被分子、原子或原子核吸收，引發(fā)它們能級的躍遷。

技術應用

這里討論的是光子在當今技術中的應用，而不是泛指可在傳統(tǒng)光學下應用的光學儀器（如透鏡）。激光的原理是上文討論的受激輻射。

對單個光子的探測可用多種方法，傳統(tǒng)的光電倍增管利用光電效應：當有光子到達金屬板激發(fā)出電子時，所形成的光電流將被放大引起雪崩放電。電荷耦合元件（CCD）應用半導體中類似的效應，入射的光子在一個微型電容器上激發(fā)出電子從而可被探測到。其他探測器，如蓋革計數(shù)器利用光子能夠電離氣體分子的性質(zhì)，從而在導體中形成可檢測的電流。

普朗克的能量公式經(jīng)常在工程和化學中被用來計算存在光子吸收時的能量變化，以及能級躍遷時發(fā)射光的頻率。例如，在熒光燈的發(fā)射光譜的設計中，會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，單獨一個光子無能力激發(fā)一個能級的躍遷，而需要有兩個光子同時激發(fā)。這就提供了更高分辨率的顯微技術，因為樣品只有在兩束不同顏色的光所照射的高度重疊的部分之內(nèi)才會吸收能量，而這部分的體積要比單獨一束光照射到并引起激發(fā)的部分小很多，這種技術被應用于雙光子激發(fā)顯微鏡中。而且，應用弱光照射能夠減小光照對樣品的影響。

有時候兩個系統(tǒng)的能級躍遷會發(fā)生耦合，即一個系統(tǒng)吸收光子，而另一個系統(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，被應用于分子生物學來研究蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用。

參考資料

[1]

我國科學家觀測到迄今最高能量光子|界面新聞 · 快訊 · 界面[引用日期2021-05-17]

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