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高能光子（高能光子）

次瀏覽 | 更新時(shí)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(jiàn)的光，就是普通光子。如果能量比普通光子高一點(diǎn)，就是紫外光光子；再高一點(diǎn)，就是X光；再高一點(diǎn)，就是γ射線(xiàn)；再高一點(diǎn)，就是伽馬射線(xiàn)。X光、γ射線(xiàn)、伽馬射線(xiàn)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(xué)科	物理

基本內容

高能光子

一個(gè)高能光子可以產(chǎn)生一個(gè)正電子和一個(gè)負電子。一對正、負電子可同時(shí)湮沒(méi)，轉化成光子。

研究發(fā)現

2021年5月17日，中國科學(xué)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(xiàn)觀(guān)測站（LHAASO）”記錄到1400萬(wàn)億電子伏特（1.4PeV）的伽馬光子，這是人類(lèi)迄今觀(guān)測到的最高能量光子，有助于進(jìn)一步解開(kāi)宇宙線(xiàn)的奧秘。

關(guān)系式

其中：E為能量；h為普朗克常數；為約化普朗克常數或稱(chēng)狄拉克常數，；ν為頻率；ω為角頻率，

；P為動(dòng)量的大小；λ為波長(cháng)；k為波數。

結構的測量

所謂光子結構的測量，在量子色動(dòng)力學(xué)中是指觀(guān)測光子場(chǎng)的量子漲落，這種能量漲落用一個(gè)光子的結構方程來(lái)描述。對光子結構的測量一般都依賴(lài)于對光子與電子，以及正負電子的對撞時(shí)的深度非線(xiàn)性散射的觀(guān)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(yáng)內核產(chǎn)生的光子在到達太陽(yáng)表面的路程中要經(jīng)過(guò)無(wú)數次碰撞，到達表面所需時(shí)間可達一百萬(wàn)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(dòng)光學(xué)對此的解釋是光波的電場(chǎng)引起了物質(zhì)內部電子的極化，極化場(chǎng)和原有的光電場(chǎng)發(fā)生干涉造成波的延遲，這種效應在宏觀(guān)上表現為幾何光學(xué)的折射率；而從光量子的角度來(lái)看，這個(gè)過(guò)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(gè)偏振子，偏振子具有非零的有效質(zhì)量，這意味著(zhù)它的運動(dòng)速度不能達到光速。對于不同頻率的光，在物質(zhì)中的運動(dòng)速度可能是不同的，這種現象叫做色散。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(dòng)量的導數給出：

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。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(guān)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(shù)應用

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

對單個(gè)光子的探測可用多種方法，傳統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(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）應用半導體中類(lèi)似的效應，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到。其他探測器，如蓋革計數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(xué)中被用來(lái)計算存在光子吸收時(shí)的能量變化，以及能級躍遷時(shí)發(fā)射光的頻率。例如，在熒光燈的發(fā)射光譜的設計中，會(huì )使用擁有不同電子能階的氣體分子，然后調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(gè)光子無(wú)能力激發(fā)一個(gè)能級的躍遷，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才會(huì )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(shù)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(shí)候兩個(gè)系統的能級躍遷會(huì )發(fā)生耦合，即一個(gè)系統吸收光子，而另一個(gè)系統從中“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(xué)來(lái)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(xué)家觀(guān)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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