[科普中国]-高能光子

高能光子是指处在高频率的光子，光子频率越高，能量越高。紫外光、X光、伽马射线都属于高能光子的范围。

光子是量子光学中的术语，它是一种基本粒子，是电磁辐射的量子，这种作用力的效应在微观层次或宏观层次都可以很容易地观察到。

光子的量子关系式光子遵守基本量子关系式1：

其中：E为能量；h为普朗克常数；为约化普朗克常数或称狄拉克常数，；ν为频率；ω为角频率，ω= 2πν；P为动量的大小；λ为波长；k为波数。

光子结构的测量所谓光子结构的测量，在量子色动力学中是指观测光子场的量子涨落，这种能量涨落用一个光子的结构方程来描述。目前对光子结构的测量一般都依赖于对光子与电子，以及正负电子的对撞时的深度非线性散射的观测。

高能光子与物质的相互作用光子在透明物质中的传播速度要小于其在真空中的速度。2例如在太阳内核产生的光子在到达太阳表面的路程中要经过无数次碰撞，到达表面所需时间可达一百万年，而一旦辐射到太空中只需8.3分钟就可到达地球。基于经典电磁理论的波动光学对此的解释是光波的电场引起了物质内部电子的极化，极化场和原有的光电场发生干涉造成波的延迟，这种效应在宏观上表现为几何光学的折射率；而从光量子的角度来看，这个过程可以被描述为光子与处于激发态的物质粒子（准粒子，如声子或激发子）混合成为一个偏振子，偏振子具有非零的有效质量，这意味着它的运动速度不能达到光速。对于不同频率的光，在物质中的运动速度可能是不同的，这种现象叫做色散。偏振子的传播速度是光波的群速，是真正的光波能量的传播速度，由能量对动量的导数给出：

公式中变量的意义同前，和是偏振子的能量和动量，和是其角频率和波数。光子与其他准粒子的相互作用能够从拉曼散射和布里渊散射中观测到。

光子也能够被分子、原子或原子核吸收，引发它们能级的跃迁。

技术应用这里讨论的是光子在当今技术中的应用，而不是泛指可在传统光学下应用的光学仪器（如透镜）。激光的原理是上文讨论的受激辐射。

对单个光子的探测可用多种方法，传统的光电倍增管利用光电效应：当有光子到达金属板激发出电子时，所形成的光电流将被放大引起雪崩放电。电荷耦合元件（CCD）应用半导体中类似的效应，入射的光子在一个微型电容器上激发出电子从而可被探测到。其他探测器，如盖革计数器利用光子能够电离气体分子的性质，从而在导体中形成可检测的电流。

普朗克的能量公式经常在工程和化学中被用来计算存在光子吸收时的能量变化，以及能级跃迁时发射光的频率。例如，在荧光灯的发射光谱的设计中，会使用拥有不同电子能阶的气体分子，然后调整电子的能量并且用这些电子去碰撞气体分子，这样，可以得到想要的荧光。

在某些情形下，单独一个光子无能力激发一个能级的跃迁，而需要有两个光子同时激发。这就提供了更高分辨率的显微技术，因为样品只有在两束不同颜色的光所照射的高度重叠的部分之内才会吸收能量，而这部分的体积要比单独一束光照射到并引起激发的部分小很多，这种技术被应用于双光子激发显微镜中。而且，应用弱光照射能够减小光照对样品的影响。

有时候两个系统的能级跃迁会发生耦合，即一个系统吸收光子，而另一个系统从中“窃取”了这部分能量并释放出不同频率的光子。这是荧光共振能量传递的基础，被应用于分子生物学来研究蛋白质与蛋白质之间的相互作用.。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所