光与物质的相互作用和光子

光子概念以及光被原子吸收和发射的量子处理，是光与物质之间离散能量交换的基础。

Definition

将光描述为能量和动量的量子（即光子），以及原子和分子吸收和发射光子的量子化过程，这些过程受能量守恒和量子跃迁规则的支配。

Scope

本主题涵盖了光作为离散光子的量子性质以及光与物质的基本相互作用。它包括光子存在的历史证据，如光电效应和康普顿效应，光子的能量和动量，吸收、自发辐射和受激辐射的量子力学处理，选择定则，态密度和腔量子电动力学在改变辐射中的作用，以及单光子探测。它将光的粒子方面与原子能级联系起来，并为激光增益和单光子技术奠定了基础。

Core questions

• 哪些实验证据表明光被量子化为光子？
• 一个光子携带多少能量和动量？
• 原子如何在能级之间的跃迁中吸收和发射光子？
• 如何改变自发辐射的速率？

Key concepts

• 光子能量和动量
• 光电效应
• 康普顿效应
• 吸收和发射
• 选择定则
• 自发辐射速率
• 腔量子电动力学
• 单光子探测

Key theories

光子与光电效应

爱因斯坦在1905年提出光能以与频率成正比的量子形式存在，解释了光电效应；康普顿效应后来证实光子也携带动量。

吸收和发射的量子理论

原子能级之间的跃迁会吸收或发射能量匹配的光子；自发辐射、受激辐射和吸收都通过量子力学处理，其辐射速率取决于电磁环境。

Clinical relevance

光子图像是光疗和光动力疗法中光定量剂量测定的基础，也是荧光寿命成像和正电子发射断层扫描闪烁中单光子探测器运行的基础，并有助于解释光如何在组织中沉积能量。

History

普朗克1900年对能量的量子化和爱因斯坦1905年的光量子假说将离散性引入辐射领域，爱因斯坦因其在光电效应方面的工作于1921年获得诺贝尔奖。康普顿1923年的散射实验证实了光子动量，狄拉克1927年对场的量子化提出了现代光与物质相互作用理论。

Key figures

• Albert Einstein
• Max Planck
• Arthur Compton
• Paul Dirac

Seminal works

• loudon2000
• einstein1905

Frequently asked questions

光是波还是粒子？

光同时表现出波和粒子的行为；它以波的形式传播和干涉，但以称为光子的离散量子形式与物质交换能量和动量，这种互补性由量子理论所捕捉。

单个光子的能量是多少？

光子的能量是普朗克常数乘以其频率，因此紫外线等高频、短波长的光比红外线等低频光携带更多的光子能量。