Kiến thức

Photon – Wikipedia tiếng Việt

Photon

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới điều hướng

Bước tới tìm kiếm

Photon

LASER.jpg

Chùm tia sáng đồng pha từ thiết bị

laser

Cấu trúc

Hạt sơ cấp

Loại hạt

Boson

Nhóm

Gauge boson

Tương tác cơ bản

Điện từ

Lý thuyết

Albert Einstein

(1905

[1]

-17)

Ký hiệu γ,

h

ν

, hoặc

ħ

ω

Khối lượng

0

[2]

Thời gian sống

Bền

[3]

Điện tích

0

Spin

1

[2]

Trong

vật lý

, photon (tiếng Việt đọc là phô tông hay phô tôn, hay quang tử) là một

hạt cơ bản

, đồng thời là hạt lượng tử của

trường điện từ

ánh sáng

cũng như mọi dạng

bức xạ điện từ

khác. Nó cũng là

hạt tải lực

của

lực điện từ

. Các hiệu ứng của lực điện từ có thể dễ dàng quan sát ở cả thang vi mô và vĩ mô do photon không có

khối lượng nghỉ

; và điều này cũng cho phép các

tương tác cơ bản

xảy ra được ở những khoảng cách rất lớn. Cũng giống như mọi hạt cơ bản khác, photon được miêu tả bởi

cơ học lượng tử

và biểu hiện

lưỡng tính sóng hạt

 — chúng thể hiện các tính chất giống như của cả

sóng

hạt

. Ví dụ, một hạt photon có thể bị

khúc xạ

bởi một

thấu kính

hoặc thể hiện sự

giao thoa

giữa các sóng, nhưng nó cũng biểu hiện như một hạt khi chúng ta thực hiện phép đo định lượng về động lượng của nó.

Khái niệm hiện đại về photon đã được phát triển dần dần bởi

Albert Einstein

để giải thích các quan sát thực nghiệm mà không thể được giải thích thỏa đáng bởi

mô hình sóng

cổ điển của ánh sáng. Đặc biệt, mô hình photon đưa ra sự phụ thuộc của năng lượng ánh sáng vào tần số, và giải thích khả năng của

vật chất

bức xạ

đạt đến trạng thái

cân bằng nhiệt động

. Mô hình cũng đưa ra sự giải thích cho một số quan sát khác thường, bao gồm tính chất của

bức xạ vật đen

, mà một số nhà vật lý, điển hình nhất là

Max Planck

, đã từng giải thích bằng cách sử dụng các mô hình bán cổ điển, theo đó ánh sáng vẫn được miêu tả bằng các

phương trình Maxwell

, nhưng ánh sáng phát ra hoặc hấp thụ từ vật thể bị lượng tử hóa. Mặc dù những mô hình bán cổ điển này đóng góp vào sự phát triển của

cơ học lượng tử

, những thí nghiệm sau này

[4]

[5]

đã công nhận giả thiết của Einstein rằng chính ánh sáng bị

lượng tử hóa

; và

lượng tử

của ánh sáng là các hạt photon.

Trong

Mô hình chuẩn

hiện đại của

vật lý hạt

, photon được miêu tả như là một hệ quả cần thiết của các định luật vật lý với

tính đối xứng

tại mỗi điểm trong

không thời gian

. Các tính chất nội tại của photon như

điện tích

,

khối lượng

spin

được xác định bởi tính chất của

đối xứng gauge

. Lý thuyết neutrino về ánh sáng với cố gắng miêu tả photon có cấu trúc thành phần, vẫn chưa có được một thành công nào đáng kể.

Khái niệm photon đã dẫn đến những phát triển vượt bậc trong vật lý lý thuyết cũng như thực nghiệm, như

laser

,

ngưng tụ Bose–Einstein

,

lý thuyết trường lượng tử

, và

cách giải thích theo xác suất

của cơ học lượng tử. Nó đã được áp dụng cho các lĩnh vực như

quang hóa học

(photochemistry), kính hiển vi có độ phân giải cao và các phép đo khoảng cách giữa các phân tử. Hiện nay, photon được nghiên cứu như một trong những phần tử của các

máy tính lượng tử

và cho những ứng dụng phức tạp trong

thông tin quang

như

mật mã lượng tử

(quantum cryptograpy).

Thuật ngữ[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Năm 1900 Max Planck đang nghiên cứu về bức xạ vật đen và đề xuất ra là năng lượng của sóng điện từ có thể được giải phóng ra theo những “gói” năng lượng; mà ông gọi chúng là những lượng tử. Sau đó, năm 1905 Albert Einstein đã tiến xa hơn bằng đề xuất rằng sóng điện từ chỉ có thể tồn tại trong những gói rời rạc này.

[1]

Ông gọi những gói

sóng

này là lượng tử ánh sáng (

tiếng Đức

: das Lichtquant). Tên gọi photon bắt nguồn từ

tiếng Hy Lạp

cho ánh sáng, φως (chuyển tự thành phôs), và đã được sử dụng

[Ct 1]

bởi nhà hóa lý

Gilbert Lewis

năm 1926, người đã đưa ra một lý thuyết suy đoán các photon có đặc điểm “không thể tạo ra hoặc bị phá hủy”.

[6]

Mặc dù lý thuyết của Lewis chưa bao giờ được công nhận do nó mâu thuẫn với nhiều thí nghiệm, thuật ngữ photon do ông đưa ra đã nhanh chóng được các nhà vật lý sử dụng.

Isaac Asimov

đã công nhận

Arthur Compton

là người đưa ra định nghĩa lượng tử năng lượng gắn với photon vào năm 1927.

[7]

[8]

Trong

vật lý học

, photon thường được ký hiệu bởi chữ γ (

chữ cái Hy Lạp

gamma

). Ký hiệu này có lẽ bắt nguồn từ

tia gamma

, do tia này được khám phá bởi

Paul Villard

năm 1900,

[9]

[10]

và được

Ernest Rutherford

đặt tên là tia gamma vào năm 1903, và sau đó Rutherford và

Edward Andrade

đã chỉ ra tia này là một dạng của

bức xạ điện từ

vào năm 1914.

[11]

Trong

hóa học

kĩ thuật quang học

, photon thường được ký hiệu là , hay đây là năng lượng của một photon, với h

hằng số Planck

chữ cái Hy Lạp

ν (

nu

) là

tần số

của photon. Ít thông dụng hơn, photon có thể được ký hiệu là hf, trong đó tần số được ký hiệu bằng f.

Tính chất vật lý[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Photon là

hạt phi khối lượng

,

[Ct 2]

không có

điện tích

[12]

và không bị

phân rã tự phát

trong chân không. Một photon có hai trạng thái

phân cực

và được miêu tả chính xác bởi ba tham số liên tục: là các thành phần của

vectơ sóng

của nó, xác định lên bước sóng λ và hướng lan truyền của photon. Photon là một

boson gauge

của

trường điện từ

,

[13]

và do vậy mọi số lượng tử khác của photon (như

số lepton

,

số baryon

, và

số lượng tử hương

) đều bằng 0.

[14]

Biểu đồ Feynman

mô tả

electron

positron

trao đổi photon (còn gọi là tán xạ Bhabha).

Các photon được phát ra từ rất nhiều quá trình trong tự nhiên. Ví dụ, khi một hạt tích điện bị

gia tốc

, nó sẽ phát ra

bức xạ synchrotron

. Trong quá trình một

phân tử

,

nguyên tử

hoặc

hạt nhân

trở về trạng thái có

mức năng lượng

thấp hơn, các photon với năng lượng khác nhau sẽ bị phát ra, từ

bức xạ hồng ngoại

cho đến

tia gamma

. Photon cũng được phát ra khi một hạt và

phản hạt

tương ứng hủy lẫn nhau (ví dụ như sự hủy cặp hạt

electron

positron

).

Trong

chân không

, photon chuyển động với

vận tốc ánh sáng

c

năng lượng

cùng

động lượng

của nó được liên hệ trong công thức E = pc, với p

độ lớn

của

vector

động lượng p. Công thức này suy ra từ công thức tương đối tính, với m = 0:

[15]

E2=p2c2+m2c4.{displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}.,}

Năng lượng và động lượng của photon chỉ

phụ thuộc

vào

tần số

(ν) của nó hay

bước sóng

(λ):

E=ℏω=hν=hcλ{displaystyle E=hbar omega =hnu ={frac {hc}{lambda }}}
p=ℏk,{displaystyle mathbf {p} =hbar mathbf {k} ,}

Với k

vectơ sóng

(trong đó số sóng (wave number) k = |k| = 2π/λ), ω = 2πν

tần số góc

, và ħ = h/2π

hằng số Planck thu gọn

.

[16]

Do p chỉ theo hướng của sự lan truyền photon, độ lớn của động lượng sẽ là

p=ℏk=hνc=hλ.{displaystyle p=hbar k={frac {hnu }{c}}={frac {h}{lambda }}.}

Photon cũng mang

động lượng góc spin

mà không phụ thuộc vào tần số của nó.

[17]

Độ lớn của spin là 2ℏ{displaystyle scriptstyle {{sqrt {2}}hbar }} và thành phần đo dọc theo hướng chuyển động của nó, hay hình chiếu của động lượng (helicity), phải là ±ħ. Có hai hình chiếu của động lượng, gọi là bên phải (right-handed) và bên trái (left-handed), tương ứng với hai trạng thái

phân cực tròn

của photon.

[18]

Để minh họa ý nghĩa của những công thức này, sự hủy của một hạt và phản hạt tương ứng trong chân không phải cho kết quả là tạo ra ít nhất hai photon vì những lý do sau. Đối với

khối tâm

của

hệ

, tổng động lượng toàn phần phải bằng không, trong khi đối với một photon thì nó luôn có động lượng (do những tính chất đã được miêu tả ở trước, động lượng chỉ phụ thuộc vào tần số hoặc bước sóng—mà không thể bằng không). Từ đó, theo

định luật bảo toàn động lượng

(hoặc tương đương với,

bất biến tịnh tiến

) đòi hỏi rằng ít nhất hai photon phải được tạo ra, cho tổng động lượng toàn phần bằng không. (Tuy vậy nếu hệ tương tác với một hạt khác hoặc một trường khác trong quá trình hủy cặp hạt thì có khả năng sinh ra một photon, ví dụ như khi một hạt positron hủy với một electron liên kết trong hệ nguyên tử, thì có thể sinh ra chỉ một photon do trường Coulomb của hạt nhân nguyên tử đã phá vỡ đối xứng tịnh tiến.) Năng lượng của hai photon, hay một cách tương đương, tần số của chúng, có thể được xác định từ

định luật bảo toàn bốn-động lượng

. Nhìn theo một hướng khác, ta có thể xem photon là phản hạt với chính nó. Và quá trình ngược lại,

sự sinh cặp

, thể hiện nổi bật trong cơ chế các hạt photon năng lượng cao như

tia gamma

bị mất năng lượng khi truyền qua vật chất.

[19]

Quá trình ngược lại của “sự hủy một hạt photon” được diễn ra trong điện trường của một hạt nhân nguyên tử.

Công thức cổ điển cho năng lượng và động lượng của

bức xạ điện từ

có thể được viết lại theo khái niệm của sự kiện photon. Ví dụ,

áp suất bức xạ điện từ

lên một vật được dẫn ra từ sự truyền động lượng của photon trên một đơn vị thời gian và một đơn vị diện tích của vật thể đó, do áp suất là lực trên một đơn vị diện tích và lực là sự thay đổi của

động lượng

trên đơn vị thời gian.

[20]

Thí nghiệm kiểm tra khối lượng của photon[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Photon hiện tại được tin là không có khối lượng, nhưng nó vẫn còn là một câu hỏi trong lĩnh vực thực nghiệm. Nếu photon không phải là không có khối lượng, thì nó không thể chuyển động với vận tốc chính xác bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không, c. Vận tốc của nó sẽ phải nhỏ hơn và phụ thuộc vào tần số của nó. Thuyết tương đối sẽ không bị ảnh hưởng bởi vấn đề này; vì cái gọi là vận tốc ánh sáng, c, do đó sẽ không phải là vận tốc thực mà ánh sáng di chuyển, mà là một hằng số của tự nhiên giới hạn vận tốc lớn nhất của bất kì một vật thể nào về mặt lý thuyết có thể đạt được trong không thời gian.

[21]

Và như thế, nó vẫn là vận tốc của những gợn không thời gian (các

sóng hấp dẫn

và các hạt

graviton

), nhưng nó không phải là vận tốc của photon.

Nếu hạt photon có khối lượng thì nó cũng sẽ ảnh hưởng đến tính chất khác. Như

định luật Coulomb

sẽ phải thay đổi và trường điện từ phải có thêm một bậc vật lý tự do. Những hiệu ứng này chi phối độ chính xác của các thí nghiệm nhằm khám phá khối lượng của photon cao hơn so với sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc ánh sáng. Nếu định luật Coulomb không đúng hoàn toàn, thì nó sẽ khiến cho xuất hiện một

điện trường

bên trong một vật dẫn rỗng khi vật này được đặt trong một điện trường ngoài. Từ đây có thể kiểm tra định luật Coulomb với độ chính xác rất cao.

[22]

Thí nghiệm kiểm tra điều này không phát hiện ra được điện trường bên trong vật dẫn rỗng và đặt giới hạn cho khối lượng trên của photon trong thực nghiệm là m ≲ 10−14 eV/c2.

[23]

Giới hạn trên cho khối lượng của photon với độ chính xác cao hơn thu được trong thí nghiệm nhằm xác định hiệu ứng gây nên bởi vectơ thế từ trường thiên hà (galactic vector magnetic potential). Mặc dù vectơ thế từ trường thiên hà là rất lớn do

từ trường

của thiên hà tồn tại trên những khoảng cách lớn, thì từ trường này chỉ có thể quan sát được nếu photon là hạt phi khối lượng. Trong trường hợp photon có khối lượng, số hạng khối lượng 12m2Aμ{displaystyle scriptstyle {frac {1}{2}}m^{2}A_{mu }A^{mu }} có thể ảnh hưởng đến plasma thiên hà. Trên thực tế không một hiệu ứng nào đã được quan sát và các nhà vật lý rút ra được giới hạn khối lượng trên cho photon là m < &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000003×1027 eV/c2.

[24]

Vectơ thế thiên hà cũng có thể được khám phá một cách trực tiếp bằng cách đo mômen xoắn tác động lên một vành từ hóa.

[25]

Những phương pháp này đã thu được giới hạn trên là 10−18eV/c2, được cho trong Nhóm Dữ liệu Hạt (Particle Data Group).

[26]

Những giới hạn rất nhỏ này được suy ra từ sự không quan sát thấy các hiệu ứng do vectơ thế từ trường thiên hà đã được chỉ ra là những mô hình phụ thuộc.

[27]

Nếu khối lượng của photon được tạo ra thông qua

cơ chế Higgs

thì giới hạn trên cho khối lượng của photon là m≲10−14 eV/c2 do định luật Coulomb phù hợp với thí nghiệm kiểm tra nó.

Lịch sử phát triển[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Thí nghiệm hai khe

của

Thomas Young

năm 1805 chỉ ra rằng ánh sáng thể hiện giống như

sóng

, dẫn đến sự thất bại của thuyết

hạt

ánh sáng.

Cho đến tận thế kỷ thứ mười tám, trong hầu hết các lý thuyết, ánh sáng được hình dung như là dòng các hạt. Mặt khác các mô hình hạt ánh sáng không giải thích một cách thuyết phục những hiện tượng như

khúc xạ

,

nhiễu xạ

hay

lưỡng chiết

của ánh sáng, vì thế đã xuất hiện các lý thuyết sóng ánh sáng được đề xuất bởi

René Descartes

(1637),

[28]

Robert Hooke

(1665),

[29]

Christian Huygens

(1678);

[30]

tuy vậy, các mô hình hạt vẫn nổi trội hơn, đa phần là do thanh thế của

Isaac Newton

(một trong những người ủng hộ mạnh mẽ cho thuyết hạt).

[31]

Đầu thế kỷ thứ mười chín,

Thomas Young

August Fresnel

minh chứng cho thấy ánh sáng thể hiện tính chất

giao thoa

nhiễu xạ

và cho đến năm 1850 mô hình sóng đã được chấp nhận rộng rãi.

[32]

Năm 1865,

tiên đoán

của Maxwell

[33]

rằng ánh sáng là một sóng điện từ—và được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1888 bằng sự phát hiện của

Heinrich Hertz

về

sóng radio

[34]

—dường như cuối cùng đã thổi bay mô hình hạt ánh sáng.

Cho đến năm 1900,

Mô hình lý thuyết

của

Maxwell

về ánh sáng là sự dao động của

điện trường

từ trường

có vẻ đã hoàn thiện. Tuy vậy, một vài quan sát thực nghiệm không thể giải thích được bằng bất kì một mô hình sóng nào của

bức xạ điện từ

, đã dẫn đến ý tưởng cho rằng năng lượng của ánh sáng được gói lại thành những lượng tử miêu tả bằng E=hν. Những thí nghiệm sau đó chỉ ra rằng những lượng tử ánh sáng cũng mang động lượng và, do vậy, có thể xem là các

hạt

: khái niệm photon đã được sinh ra, dẫn đến những hiểu biết sâu sắc hơn về chính điện trường và từ trường.

Tuy nhiên, lý thuyết sóng của Maxwell đã không miêu tả được mọi tính chất của ánh sáng. Lý thuyết Maxwell tiên đoán rằng năng lượng của sóng ánh sáng chỉ phụ thuộc vào

cường độ

của nó, chứ không phụ thuộc vào

tần số

của nó; nhưng một số thí nghiệm độc lập khác lại chỉ ra rằng năng lượng ánh sáng truyền cho các

nguyên tử

chỉ phụ thuộc vào tần số của nó, mà không phụ thuộc vào cường độ. Ví dụ,

một số phản ứng quang hóa

chỉ bỉ kích thích bởi ánh sáng với tần số cao hơn một ngưỡng xác định; nếu tần số ánh sáng thấp hơn thì sẽ không xảy ra, cho dù cường độ của tia sáng như thế nào. Tương tự, các

electron

có thể bật ra từ một tấm kim loại bị chiếu bởi ánh sáng có tần số đủ cao lên nó (

hiệu ứng quang điện

); năng lượng của electron bật ra phụ thuộc vào tần số ánh sáng, chứ không phải cường độ.

[35]

[Ct 3]

Cũng trong thời gian này, những nghiên cứu về

bức xạ vật đen

đã trải qua trên bốn thập kỷ (1860–1900) bởi nhiều nhà nghiên cứu khác nhau

[36]

và đỉnh cao là

giả thuyết

của Max Planck

[37]

[38]

rằng năng lượng của bức xạ điện từ mà bất kì hệ nào hấp thụ hay phát ra bức xạ với tần số ν là một số nguyên lần của lượng tử năng lượng E=hν. Như được chỉ ra bởi

Albert Einstein

,

[1]

[39]

dạng lượng tử năng lượng phải được kể đến cho sự cân bằng nhiệt động quan sát thấy giữa vật chất và

bức xạ điện từ

; và để ghi nhận sự giải thích cho

hiệu ứng quang điện

, Einstein nhận được

giải Nobel

về vật lý năm 1921.

[40]

Do lý thuyết Maxwell về ánh sáng cho phép mọi năng lượng có thể của bức xạ điện từ, nên ban đầu nhiều nhà vật lý cho rằng sự lượng tử hóa năng lượng là do một số giới hạn chưa được biết đến về quá trình bức xạ hay hấp thụ của vật chất. Năm 1905, Einstein lần đầu tiên đề xuất rằng năng lượng lượng tử hóa là một tính chất của chính bức xạ điện từ.

[1]

Mặc dù ông cũng công nhận lý thuyết của Maxwell, Einstein chỉ ra rằng nhiều thí nghiệm dị thường không thể giải thích được nếu năng lượng của sóng ánh sáng theo lý thuyết Maxwell bị định xứ thành những lượng tử dạng điểm mà di chuyển một cách độc lập với nhau, thậm chí nếu sóng lan truyền liên tục trong không gian.

[1]

Năm 1909

[39]

và 1916,

[41]

Einstein chỉ ra rằng, nếu

định luật Planck về bức xạ vật đen

là đúng, thì lượng tử năng lượng cũng phải mang

động lượng

với giá trị p=h/λ, khiến chúng có đầy đủ tính chất của một

hạt

. Động lượng của photon đã được quan sát bằng thực nghiệm

[42]

bởi

Arthur Compton

, và nhờ thí nghiệm này mà ông nhận được

giải Nobel

vật lý năm 1927. Do vậy một câu hỏi chủ chốt là: làm thế nào để thống nhất được thuyết sóng của Maxwell với những quan sát thực nghiệm về bản chất hạt của ánh sáng? Câu hỏi này đã đi theo suốt cuộc đời của Albert Einstein,

[43]

và được giải quyết trong

điện động lực học lượng tử

và lý thuyết sau nó,

Mô hình chuẩn

(xem

Sự lượng tử hóa lần hai

Photon là boson gauge

, bên dưới).

Xem thêm: §2. Đường tròn-Hoc24

Những phản đối ban đầu[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Cho đến năm 1923, hầu hết các nhà vật lý miễn cưỡng chấp nhận là ánh sáng tự nó bị lượng tử hóa. Thay vì thế, họ cố giải thích photon biểu hiện tính chất lượng tử ở bên trong vật chất, như của

mô hình Bohr

về

nguyên tử hidro

(hình vẽ). Mặc dù những mô hình bán cổ điển này chỉ là xấp xỉ bậc nhất, chúng miêu tả chính xác cho những hệ đơn giản và mở đường cho

cơ học lượng tử

.

Tiên đoán năm 1905 của Einstein đã được xác nhận bằng thực nghiệm theo một vài cách trong hai thập kỷ đầu tiên của thế kỷ hai mươi, như được miêu tả trong diễn văn giải Nobel của

Robert Millikan

.

[44]

Tuy nhiên, trước khi

thí nghiệm Compton

[42]

chỉ ra là các photon mang động lượng tỉ lệ với số sóng (hay tần số) (năm 1922), hầu hết các nhà vật lý miễn cưỡng chấp nhận rằng

bức xạ điện từ

tự nó có dạng hạt (xem, ví dụ, diễn thuyết giải Nobel của

Wien

,

[36]

Planck

[38]

và Millikan.

[44]

). Thay vì thế, có một niềm tin phổ biến rằng sự lượng tử hóa năng lượng là kết quả một sự hạn chế chưa hiểu được của vật chất mà hấp thụ hay phát ra bức xạ. Những quan điểm này đã thay đổi dần theo thời gian. Sự thay đổi này có thể thấy rõ từ thí nghiệm về sự

tán xạ Compton

, mà ở đây kết quả thí nghiệm sẽ rất khó được giải thích nếu không coi chính ánh sáng bị lượng tử hóa.

[45]

Thậm chí sau thí nghiệm của Compton, Bohr, Hendrik Kramers và John Slater đã thực hiện một cố gắng cuối cùng để ủng hộ mô hình trường điện từ liên tục của Maxwell về ánh sáng, gọi là mô hình BKS.

[46]

Trong mô hình này, để miêu tả được các kết quả thực nghiệm, hai giả thiết mạnh được đưa ra:

  1. Năng lượng và động lượng chỉ bảo toàn một cách trung bình trong tương tác giữa vật chất và tia bức xạ, và không bảo toàn trong các quá trình cơ bản như sự hấp thụ hay phát xạ. Điều này giải thích được (mà người ta tin rằng vào thời điểm đó) giữa sự thay đổi gián đoạn năng lượng của nguyên tử (sự chuyển dịch năng lượng giữa các trạng thái) với sự giải phóng năng lượng một cách liên tục trong tia bức xạ. (Bây giờ chúng ta biết rằng, sự giải phóng năng lượng thực sự là một quá trình liên tục, hệ kết hợp nguyên tử – trường tiến hóa theo thời gian tuân theo phương trình Schrödinger.)
  2. Tính nhân quả bị loại bỏ. Ví dụ,

    sự phát xạ tự phát

    chỉ là

    phát xạ kích thích

    bởi một trường điện từ “ảo”.

Tuy nhiên, các thí nghiệm Compton tinh tế hơn chỉ ra rằng năng lượng và động lượng được bảo toàn một cách tuyệt vời trong các quá trình cơ bản; và rằng sự dao động của electron và sự sinh ra một photon mới trong

tán xạ Compton

tuân theo tính nhân quả trong phạm vi 10

ps

. Cho nên, Bohr và các cộng sự đã phải gọi mô hình của họ là “một sự đưa tiễn trong danh dự”.

[43]

Mặc dù vậy, sự thất bại của mô hình BKS đã thúc đẩy

Werner Heisenberg

đi đến phát triển

cơ học ma trận

.

[47]

Một số nhà vật lý vẫn giữ thái độ ủng hộ

[48]

các mô hình bán cổ điển cho rằng

bức xạ điện từ

không bị lượng tử hóa, nhưng lại giữ quan điểm vật chất (trừ bức xạ điện từ) tuân theo các định luật của

cơ học lượng tử

. Mặc dù chứng cứ cho photon từ các thí nghiệm hóa học và vật lý đã áp đảo trong thập niên 1970, thì chứng cứ này không thể xem là chắc chắn tuyệt đối; do nó dựa trên sự tương tác của ánh sáng với vật chất, và họ tin là một lý thuyết đầy đủ và phức tạp về vật chất có thể về nguyên lý tính đến được chứng cứ này. Tuy thế, mọi lý thuyết bán cổ điển đã hoàn toàn bị bác bỏ trong các thập niên 1970 và 1980 bởi các thí nghiệm tương quan-photon (photon-correlation).

[Ct 4]

Từ đây, giả thuyết của Einstein rằng sự lượng tử hóa là một thuộc tính của bản thân ánh sáng đã được chứng minh.

Lưỡng tính sóng hạt và nguyên lý bất định[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Photon, giống như các đối tượng lượng tử, biểu hiện cả hai tính chất giống hạt và giống sóng. Bản chất lưỡng tính sóng-hạt của chúng khó có thể hình dung được. Photon biểu thị rõ ràng tính chất sóng trong các hiệu ứng như

nhiễu xạ

giao thoa

đối với các bước sóng đủ lớn. Ví dụ, một photon đi qua các khe trong

thí nghiệm hai khe

và biểu hiện trên màn chắn hiệu ứng giao thoa chỉ khi chúng ta không thực hiện một đo đạc nào liên quan đến photon khi nó đi qua hai khe. Sự giải thích hiện tượng này theo quan điểm của hạt ánh sáng gọi là

phân phối xác suất

nhưng lại biểu hiện theo

phương trình Maxwell

.

[49]

Tuy nhiên, các thí nghiệm cũng xác nhận rằng photon không phải là một xung ngắn của

bức xạ điện từ

; nó không dải rộng ra khi lan truyền, và cũng không bị chia ra khi đi đến một

gương bán mạ

.

[50]

Hơn nữa, photon dường như là một

hạt điểm

do nó bị hấp thụ hoặc phát xạ một cách toàn bộ bởi một hệ nhỏ tùy ý, những hệ nhỏ hơn bước sóng của nó, như

hạt nhân

nguyên tử

(đường kính ≈10−15 m) hoặc thậm chí bởi hạt điểm như

electron

. Mặt khác, photon cũng không là một hạt điểm có quỹ đạo với hình dạng mang tính xác suất bởi

trường điện từ

, như được Einstein và những người khác nhận thức là vậy; và rằng giả thuyết cũng bác bỏ lại các thí nghiệm tương quan-photon đã trích dẫn ở trên. Theo như sự hiểu biết hiện tại của chúng ta, trường điện từ tự nó cũng sản sinh ra các photon, điều đó được suy ra từ

đối xứng gauge

định xứ và các định luật của

lý thuyết trường lượng tử

(xem các phần

Lượng tử hóa lần hai

Boson gauge

bên dưới).

Werner Heisenberg

đưa ra một

thí nghiệm tưởng tượng

nhằm xác định vị trí của một

electron

(màu xanh) bằng một kính hiển vi tia gamma độ phân giải cao. Tia tới là

tia gamma

(xanh lá cây) bị tán xạ bởi electron đi vào kính hiển vi có góc mở θ. Tia gamma tán xạ có màu đỏ.

Quang học cổ điển

cho biết rằng vị trí của electron có thể đo chính xác với độ bất định Δx chỉ phụ thuộc vào góc θ và

bước sóng

λ.

Một trong những nền tảng của

cơ học lượng tử

đó là

nguyên lý bất định

của

Heisenberg

, nó không cho phép thực hiện được các đo đạc đồng thời về vị trí và động lượng của một hạt trong cùng một hướng. Nổi bật là, khi ta áp dụng nguyên lý bất định cho các hạt tích điện thì nó đòi hỏi sự lượng tử hóa của ánh sáng thành các hạt photon, và thậm chí sự phụ thuộc vào tần số của năng lượng và động lượng của photon. Một ví dụ đơn giản đó là

thí nghiệm tưởng tượng

của Heisenberg nhằm xác định vị trí của một electron bằng một kính hiển vi tưởng tượng.

[51]

Vị trí của electron có thể được xác định trong phạm vi của

độ phân giải

của kính hiển vi, được cho theo công thức của

quang học

cổ điển

Δx∼λsin⁡θ{displaystyle Delta xsim {frac {lambda }{sin theta }}}

Với θ{displaystyle theta }

góc mở

của kính hiển vi. Do đó, độ bất định vị trí là Δx{displaystyle Delta x} có thể nhận được một giá trị nhỏ bất kì bằng cách giảm bước sóng λ. Động lượng của electron cũng là bất định, do nó nhận được “cú hích” Δp{displaystyle Delta p} từ tia tán xạ từ nó vào kính hiển vi. Nếu ánh sáng không bị lượng tử hóa thành các photon, độ bất định Δp{displaystyle Delta p} có thể nhỏ tùy ý bằng cách giảm cường độ của chùm tia. Trong trường hợp này, do bước sóng và cường độ ánh sáng có thể thay đổi một cách độc lập với nhau, chúng ta có thể xác định được đồng thời vị trí và động lượng với một độ chính xác cao tùy ý, và điều này vi phạm

nguyên lý bất định

. Ngược lại, công thức của Einstein cho động lượng của photon hoàn toàn tuân theo nguyên lý bất định; do photon có thể bị tán xạ theo mọi hướng bên trong góc mở, nên độ bất định của động lượng photon bằng

Δp∼pphotonsin⁡θ=hλsin⁡θ{displaystyle Delta psim p_{mathrm {photon} }sin theta ={frac {h}{lambda }}sin theta }

Từ đó tích của chúng là Δp∼h{displaystyle Delta xDelta p,sim ,h}, và đây chính là nguyên lý bất định của Heisenberg. Từ đó, toàn bộ thế giới bị lượng tử hóa; cả vật chất và các trường phải tuân theo những tập hợp các định luật cơ học lượng tử.

[52]

Sự tương tự của nguyên lý bất định cho photon khi không cho phép đo đồng thời số các hạt photon n{displaystyle n} (xem

trạng thái Fock

Lượng tử hóa lần hai

bên dưới) trong sóng điện từ và pha sóng ϕ{displaystyle phi } của sóng này

Δϕ>1{displaystyle Delta nDelta phi >1}

Xem thêm

trạng thái đồng pha

trạng thái đồng pha ép

(squeezed coherent state).

Cả photon và các hạt khác như electron tạo ra các hình ảnh

giao thoa

tương tự nhau khi chúng đi qua các khe trong một

thí nghiệm hai khe

. Đối với các photon, điều này tương ứng với sự giao thoa của

sóng Maxwell

trong khi, đối với hạt vật chất, điều này tương ứng với sự giao thoa của

sóng tuân theo phương trình Schrödinger

. Mặc dù điều tương tự này có thể gợi ra rằng

phương trình Maxwell

là dạng đơn giản của phương trình Schrödinger cho các hạt photon, thì hầu hết các nhà vật lý lại cho rằng không phải như vậy.

[53]

[54]

Với lý do, chúng khác nhau rõ ràng về mặt toán học, phương trình Schrödinger có nghiệm là các

trường

phức

, trong khi nghiệm của bốn phương trình cho các trường số thực. Tổng quát hơn, khái niệm chuẩn về

hàm sóng

xác suất

Schrödinger không thể áp dụng được cho photon.

[55]

Do là hạt phi khối lượng, chúng không thể định xứ mà không bị phá hủy; hay về mặt kĩ thuật, các photon không thể có trạng thái riêng dương |r⟩{displaystyle |mathbf {r} rangle }, và do vậy, nguyên lý bất định Heisenberg Δp>h/2{displaystyle Delta xDelta p>h/2} không áp dụng cho các photon. Một vài hàm sóng thay thế đã được đề xuất cho photon,

[56]

[57]

[58]

[59]

nhưng chúng đã không được sử dụng rộng rãi. Thay vào đó, các nhà vật lý đưa ra lý thuyết lượng tử hóa lần hai cho photon như được miêu tả bên dưới,

điện động lực học lượng tử

, trong đó các photon là những mode kích thích của trường điện từ bị lượng tử hóa.

Mô hình Bose–Einstein về chất khí photon[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Năm 1924,

Satyendra Nath Bose

suy ra

định luật bức xạ vật đen Planck

mà không sử dụng tới lý thuyết điện từ, mà bằng cách sửa đổi cách đếm các hạt của

không gian pha

.

[60]

Einstein đã chứng minh rằng sự thay đổi này là tương đương nếu giả sử rằng các photon hoàn toàn giống nhau và hàm ý một “tương tác phi cục bộ bí ẩn”,

[61]

[62]

và bây giờ các nhà vật lý hiểu như là một sự đòi hỏi cho

trạng thái cơ lượng tử đối xứng

. Nghiên cứu này dẫn đến khái niệm

trạng thái đồng pha

và là cho sự phát triển của

laser

. Trong cùng các bài báo trên, Einstein đã mở rộng phương pháp của Bose cho các hạt vật chất (các

boson

) và ông đã tiên đoán rằng chúng có thể ngưng tụ lại thành một trạng thái lượng tử có mức năng lượng thấp nhất tại những nhiệt độ đủ thấp; và

ngưng tụ Bose–Einstein

đã được quan sát bằng thực nghiệm vào năm 1995.

[63]

Quan điểm hiện đại về các photon là, chúng là các hạt ảo với spin nguyên, các

boson

(ngược với các

fermion

với spin bán nguyên). Theo

định lý spin-thống kê

, mọi boson đều tuân theo thống kê Bose–Einstein (trong khi mọi fermion tuân theo

thống kê Fermi-Dirac

).

[64]

Phát xạ kích thích và tự phát[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Hiệu ứng

phát xạ kích thích

(trong đó các photon “tự nhân bản”) do Einstein tiên đoán đầu tiên trong phân tích động học chất khí photon, và dẫn đến sự phát triển của

laser

. Suy luận của Einstein thúc đẩy việc nghiên cứu tính chất lượng tử của ánh sáng phát triển rộng hơn, mở ra cách giải thích thống kê của cơ học lượng tử.

Năm 1916, Einstein chứng minh rằng định luật Planck có thể thu được từ cách suy luận bán cổ điển, phương pháp thống kê cho photon và nguyên tử, trong đó hàm ý liên hệ giữa tốc độ nguyên tử phát ra và hấp thụ các photon. Điều kiện giả thiết cho ánh sáng được phát ra và bị hấp thụ bởi nguyên tử là độc lập với nhau, và do vậy cân bằng nhiệt động được bảo tồn trong mạng nguyên tử. Xét một hốc ở trạng thái

cân bằng nhiệt động học

và chứa đầy

bức xạ điện từ

và nguyên tử có thể phát ra và hấp thụ bức xạ này. Cân bằng nhiệt đòi hỏi rằng mật độ năng lượng ρ){displaystyle rho (nu )} của các photon với tần số ν{displaystyle nu } (tỷ lệ với số mật độ), về trung bình, là hằng số theo thời gian; và do vậy tốc độ các photon với tần số xác định được “phát ra” phải bằng tốc độ chúng được “hấp thụ”.

[65]

Einstein bắt đầu bằng giả sử đơn giản cho liên hệ tỷ lệ đối với những tốc độ phản ứng khác nhau tham gia vào quá trình. Trong mô hình của ông, tốc độ Rji{displaystyle R_{ji}} cho một hệ hấp thụ một photon có tần số ν{displaystyle nu } và nguyên tử chuyển từ trạng thái năng lượng thấp Ej{displaystyle E_{j}} lên năng lượng cao hơn Ei{displaystyle E_{i}} bằng tỷ lệ với số Nj{displaystyle N_{j}} các nguyên tử có năng lượng Ej{displaystyle E_{j}} và tỷ lệ với mật độ năng lượng ρ){displaystyle rho (nu )} của các photon xung quanh với tần số này,

Rji=NjBjiρ){displaystyle R_{ji}=N_{j}B_{ji}rho (nu )!}

trong Bji{displaystyle B_{ji}}

hằng số tốc độ

cho quá trình hấp thụ. Đối với quá trình ngược lại, có hai khả năng xảy ra: nguyên tử phát xạ tự phát một photon, và nó trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn sau khi tương tác với photon va chạm (hoặc bị hấp thụ) với nó. Theo cách tiếp cận của Einstein, tốc độ tương ứng Rij{displaystyle R_{ij}} cho sự phát xạ của photon với tần số ν{displaystyle nu } và nguyên tử chuyển từ năng lượng cao Ei{displaystyle E_{i}} về năng lượng thấp hơn Ej{displaystyle E_{j}}

Rij=NiAij+NiBijρ){displaystyle R_{ij}=N_{i}A_{ij}+N_{i}B_{ij}rho (nu )!}

với Aij{displaystyle A_{ij}} là hằng số tốc độ

phát xạ photon tự phát

, và Bij{displaystyle B_{ij}} là hằng số tốc độ cho nguyên tử phát xạ photon tương ứng với các photon xung quanh (

phát xạ kích thích

hay cảm ứng). Trong cân bằng nhiệt động, số nguyên tử ở trạng thái i và số nguyên tử ở trạng thái j, trên trung bình, phải không đổi; và do vậy tốc độ Rji{displaystyle R_{ji}}Rij{displaystyle R_{ij}} phải bằng nhau. Do đó, bằng lập luận tương tự trong

thống kê Boltzmann

, tỉ số giữa Ni{displaystyle N_{i}}Nj{displaystyle N_{j}} bằng gi/gjexp⁡(Ej−Ei)/kT),{displaystyle g_{i}/g_{j}exp {(E_{j}-E_{i})/kT)},} với gi,j{displaystyle g_{i,j}}

sự suy biến

của trạng thái i và của j, tương ứng với mức năng lượng Ei,j{displaystyle E_{i,j}} của chúng, k là

hằng số Boltzmann

và T

nhiệt độ

của hệ. Từ đây thu được giBij=gjBji{displaystyle g_{i}B_{ij}=g_{j}B_{ji}}

Aij=8π3c3Bij.{displaystyle A_{ij}={frac {8pi hnu ^{3}}{c^{3}}}B_{ij}.}

Các số A và B gọi là các hệ số Einstein.

[66]

Einstein không thể chứng minh đầy đủ cho phương trình tốc độ phản ứng của ông, nhưng cho rằng ông có thể tìm được các hệ số Aij{displaystyle A_{ij}}, Bji{displaystyle B_{ji}}Bij{displaystyle B_{ij}} khi các nhà vật lý đã có được “những lý thuyết cơ học và điện động lực học tuân theo các giả thuyết lượng tử”.

[67]

Thực tế, năm 1926,

Paul Dirac

tìm ra cách tính hằng số tốc độ Bij{displaystyle B_{ij}} theo cách tiếp cận bán cổ điển,

[68]

và, năm 1927, ông đã thành công khi tính được mọi hằng số tốc độ phản ứng từ các nguyên lý cơ sở của lý thuyết lượng tử.

[69]

[70]

Công trình của Dirac là cơ sở cho điện động lực học lượng tử QED, hay lý thuyết mô tả sự lượng tử hóa trường điện từ. Cách tiếp cận của Dirac được gọi là lượng tử hóa lần hai hay

lý thuyết trường lượng tử

;

[71]

[72]

[73]

trong khi cơ học lượng tử những ngày đầu chỉ mô tả các hạt vật chất mà không miêu tả được trường điện từ.

Einstein vướng phải khó khăn là lý thuyết của ông dường như chưa hoàn thiện, do nó không xác định được hướng của một photon phát xạ tự phát. Bản chất xác suất của chuyển động hạt-ánh sáng do

Newton

lần đầu tiên đề cập đến khi ông tìm cách giải thích hiện tượng

lưỡng chiết

và tổng quát hơn, sự tách chùm sáng ở mặt phân cách giữa chùm tới và chùm phản xạ. Newton giả thiết rằng có những biến số ẩn trong hạt ánh sáng cho phép chúng xác định đi theo đường nào.

[31]

Tương tự, Einstein hy vọng vào một lý thuyết đầy đủ không cho phép có sự may rủi, và bắt đầu những phê phán

[43]

về cơ học lượng tử. Nhưng thật trớ trêu, khi cách

giải thích theo xác suất

của

Max Born

về

hàm sóng

[74]

[75]

lại được truyền cảm hứng từ công trình của Einstein trong quá trình ông đi tìm một lý thuyết đầy đủ hơn.

[76]

Lượng tử hóa lần hai[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Những mode điện từ khác nhau (minh họa ở đây) có thể coi như là những

dao động lượng tử điều hòa

. Một photon tương ứng với một đơn vị năng lượng E=hν trong mode điện từ của nó.

Năm 1910,

Peter Debye

suy luận ra

định luật Planck

cho bức xạ vật đen từ một giả thiết tương đối đơn giản.

[77]

Ông đã đúng khi phân tách trường điện từ trong một hốc thành những

mode Fourier

, và giả sử rằng năng lượng trong một mode bất kỳ là bội nguyên lần của {displaystyle hnu }, với ν{displaystyle nu } là tần số của mode điện từ. Định luật Planck cho bức xạ vật đen trở thành tổng hình học của các mode này. Tuy vậy, cách tiếp cận của Debye đã không suy luận ra được công thức đúng cho thăng giáng năng lượng của bức xạ vật đen, mà Einstein đã thu được từ năm 1909.

[39]

Năm 1925,

Born

,

Heisenberg

Jordan

giải thích lại khái niệm của Debye theo một hướng chìa khóa quan trọng.

[78]

Như đã được chỉ ra bằng lý thuyết cổ điển, các

mode Fourier

của

trường điện từ

—tập hợp đầy đủ các sóng phẳng điện từ ký hiệu bởi vectơ sóng k và trạng thái phân cực— là tương đương với các

dao động tử điều hòa đơn giản

không cặp. Khi giải thích theo cơ học lượng tử, các mức năng lượng của những dao động tử bằng E=nhν{displaystyle E=nhnu }, với ν{displaystyle nu } là tần số của dao động. Bước mới chìa khóa tiếp theo đó là đồng nhất một mode điện từ với năng lượng E=nhν{displaystyle E=nhnu } như là trạng thái của n{displaystyle n} photon, mỗi hạt có năng lượng {displaystyle hnu }. Cách tiếp cận này đã thu được công thức đúng cho thăng giáng năng lượng.

Trong lý thuyết trường lượng tử, xác suất của một sự kiện được tính bằng tổng các

biên độ xác suất

(là

số phức

) cho mọi con đường khả dĩ mà sự kiện có thể xảy ra, như trong

giản đồ Feynman

ở đây; xác suất bằng bình phương

module

của tổng biên độ.

Dirac

đi đến một bước xa hơn.

[69]

[70]

Ông coi tương tác giữa hạt điện tích với trường điện từ như là một nhiễu loạn nhỏ và gây ra sự chuyển dịch trạng thái photon, làm thay đổi số photon trong các mode, trong khi vẫn giữ được định luật bảo toàn năng lượng và động lượng trên tổng thể. Dirac từ đây có thể suy ra các hệ số của Einstein Aij{displaystyle A_{ij}}Bij{displaystyle B_{ij}}, và chứng minh rằng thống kê Bose–Einstein cho photon là hệ quả tự nhiên của sự lượng tử hóa trường điện từ (cách lý giải của Bose lại đi theo hướng ngược lại; ông chứng minh định luật Planck cho bức xạ vật đen bằng giả sử thống kê B–E). Trong thời gian này, các nhà vật lý vẫn chưa biết rằng mọi boson, bao gồm photon, phải tuân theo thống kê Bose–Einstein.

Lý thuyết nhiễu loạn

bậc hai của Dirac bao gồm cả các

photon ảo

, trạng thái trung gian tạm thời của trường điện từ; tương tác

điện

từ

được mang bởi những photon ảo. Trong các lý thuyết trường lượng tử, biên độ xác suất của những sự kiện quan sát được tính bằng tổng trên mọi bước trung gian có thể, ngay cả khi những bước trung gian này không có ý nghĩa vật lý; do vậy, các photon ảo không bị hạn chế bởi công thức E=pc{displaystyle E=pc}, và chúng có thể có thêm các trạng thái

phân cực

; phụ thuộc vào cách trộn gauge, các photon ảo có thể có ba hay bốn trạng thái phân cực, thay vì hai trạng thái cho photon thực. Mặc dù những photon tạm thời này không thể quan sát được, chúng đóng góp vào xác suất của các sự kiện đo được. Quả thực, các tính toán nhiễu loạn bậc hai hoặc bậc cao hơn có thể đóng góp vô hạn vào tổng biên độ xác suất. Những kết quả phi vật lý được hiệu chỉnh bằng kĩ thuật

tái chuẩn hóa

. Những hạt ảo khác cũng đóng góp vào tổng; ví dụ, hai photon có thể tương tác gián tiếp thông qua cặp

electron

positron

ảo.

[79]

Những tán xạ photon-photon, cũng như electron-photon, là một trong những chế độ hoạt động của máy gia tốc hạt tuyến tính, đang lên kế hoạch xây dựng

International Linear Collider

.

[80]

Theo ký hiệu vật lý hiện đại,

trạng thái lượng tử

của trường điện từ được viết bởi

trạng thái Fock

,

tích tenxơ

các trạng thái cho mỗi mode điện từ

|nk0⟩|nk1⟩|nkn⟩{displaystyle |n_{k_{0}}rangle otimes |n_{k_{1}}rangle otimes dots otimes |n_{k_{n}}rangle dots }

với |nki⟩{displaystyle |n_{k_{i}}rangle } biểu diễn trạng thái trong đó nki{displaystyle ,n_{k_{i}}} photon ở trong mode ki{displaystyle k_{i}}. Theo ký hiệu này, một photon mới sinh ra trong mode ki{displaystyle k_{i}} (ví dụ, phát ra từ sự chuyển dịch nguyên tử) được viết thành |nki⟩|nki+1⟩{displaystyle |n_{k_{i}}rangle rightarrow |n_{k_{i}}+1rangle }. Các ký hiệu này thể hiện các khái niệm của Born, Heisenberg và Jordan miêu tả ở trên, và không cần thêm một quá trình vật lý nào khác.

Xem thêm: Have to và Must trong tiếng Anh

Tính chất hadron của photon[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Những phép đo về tương tác giữa những photon năng lượng cao với các

hadron

cho thấy tương tác giữa chúng có cường độ mạnh hơn suy đoán so với tương tác chỉ giữa photon và điện tích của hadron. Hơn nữa tương tác của photon với

proton

giống như tương tác của photon với

neutron

[81]

mặc dù hai loại hạt này có điện tích khác nhau.

Lý thuyết “Ưu thế meson vectơ” (Vector Meson Dominance-VMD) đã được phát triển nhằm giải thích hiệu ứng này. Theo VMD, photon là trạng thái chồng chập của photon điện từ thuần túy (mà chỉ xuất hiện trong tương tác giữa các hạt điện tích) và meson vectơ.

[82]

Tuy nhiên, khi thực hiện thí nghiệm ở tầm tác dụng rất ngắn, cấu trúc nội tại của photon có thể được coi là dòng các thành phần tự do giả

quark

gluon

theo tính chất tự do tiệm cận trong

QCD

và được miêu tả bằng “hàm cấu trúc photon.

[83]

[84]

Bảng so sánh dữ liệu thực nghiệm với tiên đoán lý thuyết được trình bày toàn diện trong một bài viết đánh giá gần đây.

[85]

Photon là boson gauge[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Trường điện từ là

trường chuẩn

(trường gauge), hay là một trường mà có phép đối xứng gauge độc lập tại mỗi vị trí trong

không thời gian

.

[86]

Đối với

trường điện từ

, đối xứng gauge này là nhóm đối xứng Abelian U(1) của số phức, phản ánh tính thay đổi pha của số phức mà không làm ảnh hưởng đến biến quan sát hay hàm giá trị thực với biến số phức, như

năng lượng

hay

Lagrangian

.

Lượng tử của một trường chuẩn Abelian (trường gauge) phải không có khối lượng, hay đối xứng không bị phá vỡ; từ đây, lý thuyết tiên đoán photon là hạt không có khối lượng và không có

điện tích

cũng như

spin

nguyên. Dạng đặc biệt của

tương tác điện từ

khiến cho spin của photon phải là ±1; do đó tính xoắn (helicity) của nó bằng ±{displaystyle pm hbar }. Hai thành phần spin này tương ứng với khái niệm cổ điển về sự

phân cực

tròn trái và phân cực tròn phải của ánh sáng. Tuy vậy, các photon ảo trung gian của

điện động lực học lượng tử

còn có thêm các trạng thái phân cực phi vật lý.

[86]

Trong

mô hình chuẩn

, photon là một trong bốn boson chuẩn (hay

boson gauge

) của

tương tác điện yếu

;

ba boson khác

ký hiệu là W+, W và Z0 tham gia vào

tương tác yếu

. Không như photon, những boson chuẩn (gauge) này có

khối lượng

, như được tiên đoán bởi

cơ chế Higgs

thông qua phá vỡ nhóm đối xứng chuẩn SU(2). Tương tác yếu thống nhất photon với các boson gauge W và Z nhờ công trình của các nhà vật lý

Sheldon Glashow

,

Abdus Salam

Steven Weinberg

, và giải

Nobel Vật lý

1979 đã trao cho họ nhờ những đóng góp này.

[87]

[88]

[89]

Tư tưởng thống nhất các tương tác cơ bản cũng được các nhà vật lý mở rộng trong

lý thuyết thống nhất lớn

; thống nhất bốn boson gauge với tám boson

gluon

của lý

thuyết sắc động lực học lượng tử

; tuy nhiên, một trong những tiên đoán chìa khóa của lý thuyết này là sự phân rã của

proton

vẫn chưa được quan sát bằng thực nghiệm.

[90]

Đóng góp vào khối lượng của hệ[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Khi một hệ phát ra photon thì

năng lượng

của hệ sẽ giảm một lượng bằng năng lượng E{displaystyle E} của photon khi đo trong hệ quy chiếu quán tính, và

khối lượng

của hệ giảm đi bằng E/c2{displaystyle {E}/{c^{2}}}, tương tự khối lượng của một hệ tăng lên khi hấp thụ một photon bằng năng lượng của photon đó. Áp dụng công thức

E=mc^2

, phương trình bảo toàn năng lượng trong

phản ứng hạt nhân

có sự tham gia của photon thường được viết dưới dạng khối lượng của các hạt nhân, và số hạng E/c2{displaystyle {E}/{c^{2}}} cho photon của tia gamma (và cho các dạng năng lượng khác, như năng lượng phản hồi của hạt nhân).

[91]

Khái niệm này cũng được áp dụng trong tiên đoán của điện động lực học lượng tử (QED). Trong lý thuyết này, khối lượng của electron (hay

lepton

) được hiệu chỉnh khi thêm vào đóng góp khối lượng của các photon ảo (kỹ thuật tái chuẩn hóa). Nhờ những hiệu chỉnh này mà QED có những tiên đoán bất ngờ, như mômen lưỡng cực từ dị thường của các lepton, dịch chuyển Lamb, và cấu trúc siêu tinh tế của các cặp lepton liên kết, như muonium và positronium.

[92]

Photon cũng đóng góp vào thành phần của

tenxơ ứng suất-năng lượng

, tenxơ này là nguồn của

trường hấp dẫn

được mô tả trong

thuyết tương đối tổng quát

. Ngược lại, photon cũng bị ảnh hưởng bởi trường hấp dẫn; quỹ đạo của nó bị lệch đi trong không thời gian cong, như hiện tượng

thấu kính hấp dẫn

, tần số của nó cũng bị thay đổi trong hiệu ứng

dịch chuyển đỏ do hấp dẫn

như được kiểm chứng trong

thí nghiệm Pound-Rebka

. Không những chỉ đối với photon; những hiệu ứng này cũng tác động tới

sóng điện từ

trong lý thuyết cổ điển.

[93]

Photon trong vật chất[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Ánh sáng truyền trong môi trường trong suốt với vận tốc nhỏ hơn c, là

tốc độ ánh sáng

trong chân không. Ngoài ra, ánh sáng cũng bị

tán xạ

hay hấp thụ. Có những hiện tượng mà sự truyền nhiệt qua môi trường chủ yếu là bức xạ, bao gồm sự phát xạ và hấp thụ photon trong nó. Ví dụ như trong lõi của

Mặt Trời

. Năng lượng photon phải mất khoảng một triệu năm mới tới được bề mặt.

[94]

Tuy nhiên, hiện tượng này khác so với sự bức xạ tán xạ đi qua môi trường vật chất, vì nó liên quan đến cân bằng địa phương giữa bức xạ và nhiệt độ. Do vậy, thời gian ở đây là thời gian vận chuyển năng lượng, chứ không phải thời gian hành trình của chính photon. Trong không gian vũ trụ, photon chỉ mất 8,3 phút đi từ Mặt Trời đến Trái Đất. Hệ số mà tốc độ ánh sáng giảm đi khi đi trong môi trường vật chất gọi là

chiết suất

của vật liệu. Trong cơ học sóng cổ điển, sự chậm đi này có thể giải thích bằng sự phân cực điện của vật liệu khi ánh sáng đi vào, vật liệu phân cực phát ra ánh sáng mới, và ánh sáng mới này giao thoa với ánh sáng đi vào tạo nên sự chậm trễ ánh sáng trong vật chất. Trong mô hình hạt ánh sáng, sự chậm đi này được mô tả là do quá trình kết hợp của photon với trạng thái kích thích lượng tử của vật chất (các giả hạt như

phonon

exciton

) để tạo ra dạng

polariton

; polariton này có khối lượng hiệu dụng khác không, và do đó nó không thể chuyển động với vận tốc bằng c.

Ngoài ra, photon cũng có thể coi là luôn luôn chuyển động với tốc độ c, ngay cả trong môi trường vật chất, nhưng nó có sự dịch chuyển pha (trễ hay nhanh) phụ thuộc vào tương tác với nguyên tử: điều này làm thay đổi bước sóng và động lượng của nó, nhưng không làm thay đổi tốc độ.

[95]

Một sóng ánh sáng cấu tạo từ những photon này lan truyền với tốc độ nhỏ hơn tốc độ ánh sáng. Theo quan điểm này các photon là “trần trụi”, và bị tán xạ và dịch chuyển pha, trong khi quan điểm ở đoạn trước coi các photon là “che kín” bởi tương tác của chúng với vật chất, và lan truyền không bị tán xạ hay dịch chuyển pha, nhưng với tốc độ nhỏ hơn.

Ánh sáng với tần số khác nhau lan truyền trong vật chất với tốc độ khác nhau; hay gọi là

sự tán sắc

ánh sáng. Trong một số trường hợp, hiệu ứng này làm chậm tốc độ ánh sáng trong môi trường vật liệu. Sự tương tác của photon với các giả hạt khác có thể được quan sát trực tiếp trong

tán xạ Raman

tán xạ Brillouin

.

[96]

Hạt nhân,

nguyên tử

phân tử

cũng hấp thụ photon, và chuyển dịch mức năng lượng của chúng. Một ví dụ cổ điển là sự chuyển dịch phân tử của

anđêhít

retinal

C20H28O, phân tử chịu trách nhiệm cho khả năng

quan sát

của

mắt

, do nhà hóa sinh và

Nobel Y học

George Wald

cùng đồng nghiệp phát hiện ra năm 1958. Sự hấp thụ gây ra một

đồng phân cis-trans

, và khi nó kết hợp với những chuyển tiếp khác, sẽ biến đổi thành xung thần kinh. Quá trình hấp thụ photon cũng làm bẻ gãy một số liên kết hóa học, như trong hiện tượng

quang ly

của

clo

, được nghiên cứu trong lĩnh vực

quang hóa

.

[97]

[98]

Tương tự,

tia gamma

trong một số tình huống có thể làm phân ly hạt nhân nguyên tử trong quá trình gọi là

quang phân rã

.

Xem thêm: ✅ CÔNG THỨC HÓA 10 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️

Ứng dụng công nghệ[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Photon có nhiều ứng dụng trong công nghệ. Những ví dụ dưới đây để minh họa các ứng dụng dựa trên tính chất của photon hơn là đối với thiết bị quang học nói chung như cho thấu kính, v.v mà có thể giải thích theo lý thuyết cổ điển về ánh sáng. Laser là một ứng dụng cực kỳ quan trọng và đã được mô tả ở trên với

phát xạ kích thích

.

Có một vài phương pháp để xác định được từng photon độc thân. Các

ống nhân quang điện

hoạt động dựa trên

hiệu ứng quang điện

: một photon chạm vào bề mặt kim loại và một electron bị bật ra, làm khởi phát một luồng khổng lồ các electron trong ống nhân quang điện. Các chip

CCD

sử dụng hiệu ứng tương tự trên

chất bán dẫn

: một photon tới làm sinh ra điện tích trên một

tụ điện

vi mô và từ đó có thể ghi lại được. Các thiết bị dò khác như

máy đếm Geiger

sử dụng khả năng photon gây

ion hóa

các phân tử khí, dẫn đến hình thành

dòng điện

mà máy đo được.

[99]

Các kĩ sư và nhà hóa học thường sử dụng công thức Planck E=hν{displaystyle E=hnu } nhằm tính toán sự thay đổi năng lượng từ sự hấp thụ một photon và tiên đoán tần số ánh sáng phát ra đối với quá trình chuyển dịch năng lượng cụ thể. Ví dụ,

phổ phát xạ

của

đèn huỳnh quang

có thể tinh chỉnh bằng sử dụng các phân tử khí có mức năng lượng điện tử khác nhau và điều chỉnh năng lượng điển hình cho electron khiến phân tử khí hấp thụ nó trong bóng đèn.

[Ct 5]

Dưới một số điều kiện, phải “hai” photon mới làm xảy ra sự chuyển dịch năng lượng hơn là một photon. Đây là nguyên lý cho các kính hiển vi độ phân giải cao, bởi vì các mẫu quan sát chỉ hấp thụ năng lượng trong vùng có hai chùm sáng khác màu chồng lên nhau, đồng thời cho phép thể tích bị kích thích (vùng cần quan sát) nhỏ hơn nếu chỉ dùng một chùm sáng (kính hiển vi kích thích trạng thái bởi hai photon). Quan trọng nữa là, các photon này ít gây phá hủy mẫu vật hơn do chúng mang năng lượng thấp hơn.

[100]

Trong vài trường hợp, hai quá trình chuyển dịch năng lượng cũng có thể xảy ra cho hai hệ, khi một hệ hấp thụ một photon, một hệ khác gần nó “cướp” năng lượng kích thích và tái phát ra một photon với tần số khác biệt. Đây chính là cơ chế của

hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang

, một kĩ thuật sử dụng trong

sinh học phân tử

nhằm nghiên cứu các

protein

thích hợp.

[101]

Một vài

phần cứng phát số ngẫu nhiên

đòi hỏi sự xác định được một photon độc thân. Ví dụ, mỗi bit trong dãy ngẫu nhiên được tạo ra bằng cách gửi một photon đến bộ tách chùm. Trong tình huống này, có hai kết quả khả dĩ với xác suất bằng nhau xảy ra. Kết quả thực tế được sử dụng nhằm xác định bit tiếp theo trong dãy là “0” hay “1”.

[102]

[103]

Công nghệ này gọi là

quang tử học

.

Nghiên cứu hiện nay[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Một lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của photon là

quang học lượng tử

. Photon là một thành tố phù hợp cho các

máy tính lượng tử

hoạt động cực nhanh, và hướng nghiên cứu

vướng víu lượng tử

của photon là một lĩnh vực rất năng động.

Các quá trình quang học phi tuyến

cũng là một hướng được quan tâm nhiều, với phạm vi ứng dụng quá trình hấp thụ hai photon (two-photon absorption), tự điều pha (self-phase modulation), sự bất ổn định biến điệu (modulational instability) và bộ dao động tham số quang (optical parametric oscillator). Tuy vậy, những quá trình này nói chung không chỉ giả thiết trên photon; chúng cũng có thể được áp dụng cho các nguyên tử như là những dao động tử phi tuyến. Các tinh thể phi tuyến được sử dụng để tạo ra chùm cặp photon vướng víu. Cuối cùng, photon đóng vai trò quan trọng trong

thông tin quang

, đặc biệt cho

mật mã lượng tử

.

[Ct 6]

Ghi chú[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  1. ^

    Mặc dù năm 1967,

    bản dịch của nhà xuất bản Elsevier

    về bài diễn thuyết giải Nobel của Planck diễn giải từ das Lichtquant là “photon”, thì trong bản dịch năm 1922 của Hans Thacher Clarke và Ludwik Silberstein

    Nguồn gốc và sự phát triển của lý thuyết lượng tử

    , The Clarendon Press, 1922 (

    xem ở đây

    ) sử dụng thuật ngữ “lượng tử ánh sáng”. Không có chứng cứ nào cho thấy chính Planck đã sử dụng thuật ngữ “photon” đến năm 1926 (xem trong

    đây

    Lưu trữ

    2019-10-01 tại

    Wayback Machine

    ).

  2. ^

    Khối lượng

    của photon được tin là chính xác bằng không, dựa trên các thí nghiệm và lý thuyết được miêu tả trong bài này. Một số nguồn có đưa ra khái niệm

    khối lượng tương đối tính

    , theo đó năng lượng được tính theo đơn vị khối lượng. Đối với một photon có bước sóng λ hay năng lượng E, khối lượng sẽ bằng h/λc hay E/c2. Việc sử dụng thuật ngữ khối lượng này không còn được phổ biến trong các tài liệu khoa học nữa. Xem them thông tin: Khối lượng của photon là gì?

    http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/photon_mass.html

  3. ^

    Nói rằng “cho dù cường độ tia sáng như thế nào” là nói đến cường độ nhỏ hơn xấp xỉ 1013 W/cm2 tại điểm

    lý thuyết nhiễu loạn

    không còn tác dụng. Ngược lại, khi chiếu với cường độ cao hơn, với ánh sáng khả kiến có cường độ xấp xỉ 1014 W/cm2, mô hình sóng cổ điển miêu tả chính xác năng lượng mà electron bật ra nhận được, gọi là năng lượng trọng động (ponderomotive energy). (Xem thêm: Boreham et al. (1996). “

    Photon density and the correspondence principle of electromagnetic interaction

    “.) Lấy so sánh, ánh nắng có cường độ chỉ bằng 0.1 W/cm2.

  4. ^

    Những thí nghiệm này cho kết quả không thể giải thích được bằng các mô hình bán cổ điển về ánh sáng, do chúng chứa các phản tương quan (anticorrelations) mà là kết quả từ quá trình đo trong cơ học lượng tử. Năm 1974, Clauser đã thực hiện thí nghiệm đầu tiên như vậy, và ông thông báo thấy có sự vi phạm của

    bất đẳng thức Cauchy–Schwarz

    cổ điển. Năm 1977, Kimble và cộng sự thực hiện sự tương tự với hiệu ứng phản-cụm (anti-bunching effect) của tương tác photon với một gương bán mạ; cách tiếp cận này đã loại bỏ các sai số của nguồn và làm đơn giản hơn trong thí nghiệm phản tương quan-photon (photon-anticorrelation experiment) của Grangier và các cộng sự (1986). Công trình này đã được xem xét lại và thực hiện đơn giản hơn bởi Thorn và cộng sự (2004). (Những tham khảo này được liệt kê bên dưới phần Bổ sung tài liệu tham khảo.)

  5. ^

    Ví dụ về một bằng sáng chế Hoa Kỳ Nr.

    5212709

    .

  6. ^

    Sách viết về giới thiệu quang học lượng tử có thể xem trong Fox, M. (2006).

    Quantum Optics: An Introduction

    . Oxford University Press.

    ISBN

     

    0-19-856673-5

    .

Tham khảo[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  1. ^

    a

    ă

    â

    b

    c

    Einstein, A. (1905).

    “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt”

    (PDF).

    Annalen der Physik

    . 17: 132–148.

    doi

    :

    10.1002/andp.19053220607

    . (tiếng Đức).

    Một bản dịch sang tiếng Anh

    có tại

    Wikisource

    .

  2. ^

    a

    ă

    B.H. Bransden and C.J. Joachain. Quantum Mechanics . tr. 545.

    ISBN 0-582-35691-1

    .

  3. ^

    Official particle table for gauge and Higgs bosons

    Truy cập

    24 tháng 10

    năm

    2006

  4. ^

    Kimble, H.J.; Dagenais, M.; Mandel, L.; Dagenais; Mandel (1977). “Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence”.

    Physical Review Letters

    . 39 (11): 691–695.

    Bibcode

    :

    1977PhRvL..39..691K

    .

    doi

    :

    10.1103/PhysRevLett.39.691

    .Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (

    liên kết

    )

  5. ^

    Grangier, P.; Roger, G.; Aspect, A.; Roger; Aspect (1986). “Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences”.

    Europhysics Letters

    . 1 (4): 173–179.

    Bibcode

    :

    1986EL……1..173G

    .

    doi

    :

    10.1209/0295-5075/1/4/004

    .Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (

    liên kết

    )

  6. ^

    Lewis, G.N. (1926).

    “The conservation of photons”

    .

    Nature

    . 118: 874–875.

    doi

    :

    10.1038/118874a0

    .

    Bản gốc

    lưu trữ ngày 1 tháng 10 năm 2019. Truy cập ngày 17 tháng 2 năm 2011.

  7. ^

    Asimov, I. (1966). The Neutrino, Ghost Particle of the Atom. Garden City (NY): Doubleday.

    ISBN

     

    0380004836

    . LCCN 

    66-0

     – 1707.

  8. ^

    Asimov, I. (1966). The Universe From Flat Earth To Quasar. New York (NY): Walker.

    ISBN

     

    080270316X

    . LCCN 

    66-0

     – 2251.

  9. ^

    Villard, P. (1900). “Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium”. Comptes Rendus des Séances de l’Académie des Sciences (Paris). 130: 1010–1012. (tiếng Pháp)

  10. ^

    Villard, P. (1900). “Sur le rayonnement du radium”. Comptes Rendus des Séances de l’Académie des Sciences (Paris). 130: 1178–1179. (tiếng Pháp)

  11. ^

    E. Rutherford & Andrade, E.N.C. (1914). “The Wavelength of the Soft Gamma Rays from Radium B”.

    Tạp chí Triết học

    (Philosophical Magazine). 27: 854–868.Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    )

  12. ^

    V.V. Kobychev & Popov, S.B. (2005). “Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources”. Astronomy Letters. 31: 147–151.

    doi

    :

    10.1134/1.1883345

    .Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    )

  13. ^

    Vai trò là boson gauge và sự phân cực của photon xem phần Role 5.1 trong Aitchison, I.J.R.; Hey, A.J.G. (1993). Gauge Theories in Particle Physics. Nhà xuất bản IOP.

    ISBN

     

    0-85274-328-9

    .

  14. ^

    Xem trang 31 trong C. Amsler & và đồng nghiệp (2008). “Review of Particle Physics”. Physics Letters. B667: 1–1340.

    doi

    :

    10.1016/j.physletb.2008.07.018

    . “Và đồng nghiệp” được ghi trong: |authors= (

    trợ giúp

    )Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    )

  15. ^

    Xem phần 1.6 trong Alonso, M.; Finn, E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley.

    ISBN

     

    0-201-00262-0

    .

  16. ^

    Davison E. Soper,

    Electromagnetic radiation is made of photons

    , Institute of Theoretical Science, University of Oregon

  17. ^

    Tính chất này đã được xác nhận bằng thực nghiệm bởi Raman và Bhagavantam năm 1931:

    Raman, C.V.

    ; Bhagavantam, S. (1931).

    “Experimental proof of the spin of the photon”

    (PDF). Indian Journal of Physics. 6: 353.

  18. ^

    Ví dụ, phần 1.3.3.2 trong Burgess, C.; Moore, G. (2007).

    The Standard Model. A Primer

    . Cambridge University Press.

    ISBN

     

    0-521-86036-9

    .

  19. ^

    Ví dụ, phần 9.3 trong Alonso, M.; Finn, E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley.

  20. ^

    Vd, phụ lục XXXII trong

    Born, M.

    (1962). Atomic Physics. Blackie & Son.

    ISBN

     

    0486659844

    .

  21. ^

    Mermin, David (tháng 2 năm 1984). “Relativity without light”. American Journal of Physics. 52 (2): 119–124.

    doi

    :

    10.1119/1.13917

    .

  22. ^

    Plimpton, S.; Lawton, W. (1936). “A Very Accurate Test of Coulomb’s Law of Force Between Charges”. Physical Review. 50: 1066.

    doi

    :

    10.1103/PhysRev.50.1066

    .

  23. ^

    Williams, E.; Faller, J.; Hill, H. (1971). “New Experimental Test of Coulomb’s Law: A Laboratory Upper Limit on the Photon Rest Mass”. Physical Review Letters. 26: 721.

    doi

    :

    10.1103/PhysRevLett.26.721

    .

  24. ^

    Chibisov, G V (1976). “Astrophysical upper limits on the photon rest mass”. Soviet Physics Uspekhi. 19: 624.

    doi

    :

    10.1070/PU1976v019n07ABEH005277

    .

  25. ^

    Lakes, Roderic (1998). “Experimental Limits on the Photon Mass and Cosmic Magnetic Vector Potential”. Physical Review Letters. 80: 1826.

    doi

    :

    10.1103/PhysRevLett.80.1826

    .

  26. ^

    Amsler, C; Doser, M; Antonelli, M; Asner, D; Babu, K; Baer, H; Band, H; Barnett, R; Bergren, E (2008). “Review of Particle Physics⁎”. Physics Letters B. 667: 1.

    doi

    :

    10.1016/j.physletb.2008.07.018

    .

    Summary Table

  27. ^

    Adelberger, Eric; Dvali, Gia; Gruzinov, Andrei (2007). “Photon-Mass Bound Destroyed by Vortices”. Physical Review Letters. 98: 010402.

    doi

    :

    10.1103/PhysRevLett.98.010402

    .

    Pdf

  28. ^

    Descartes, R. (1637). Discours de la méthode. Imprimerie de Ian Maire.

    ISBN

     

    0268008701

    . (tiếng Pháp)

  29. ^

    Hooke, R. (1667).

    Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon…

    Luân Đôn (UK): Royal Society of London.

    ISBN

     

    0486495647

    .

  30. ^

    Huygens, C. (1678). Traité de la lumière. (tiếng Pháp).

    Bản dịch tiếng Anh

    xem tại

    Dự án Gutenberg

  31. ^

    a

    ă

    Newton, I. (1952) [1730]. Opticks (ấn bản 4). Dover (NY): Nhà xuất bản Dover. Book II, Part III, Propositions XII–XX, Queries 25–29.

    ISBN

     

    0-486-60205-2

    .

  32. ^

    Buchwald, J.Z. (1989).

    The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century

    . University of Chicago Press.

    ISBN

     

    0-226-07886-8

    .

    OCLC

     

    18069573

    .

  33. ^

    Maxwell, J.C. (1865). “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 155: 459–512.

    doi

    :

    10.1098/rstl.1865.0008

    . Bài viết này bắt nguồn từ buổi thuyết trình của Maxwell ngày 8 tháng 12 năm 1864 tại Hội Hoàng gia.

  34. ^

    Hertz, H. (1888). “Über Strahlen elektrischer Kraft”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin). 1888: 1297–1307. (tiếng Đức)

  35. ^

    Sự phát quang phụ thuộc vào tần số tia sáng tr. 276f., hiệu ứng quang điện phần 1.4 trong Alonso, M.; Finn, E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics.

    Addison-Wesley

    .

    ISBN

     

    0-201-00262-0

    .

  36. ^

    a

    ă

    Wien, W.

    (1911).

    “Wilhelm Wien Nobel Lecture”

    .

  37. ^

    Planck, M. (1901). “Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum”.

    Annalen der Physik

    . 4: 553–563.

    doi

    :

    10.1002/andp.19013090310

    . (tiếng Đức)

    Bản dịch tiếng Anh

  38. ^

    a

    ă

    Planck, M. (1920).

    “Max Planck’s Nobel Lecture”

    .

  39. ^

    a

    ă

    â

    Einstein, A. (1909).

    “Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung”

    (PDF).

    Physikalische Zeitschrift

    . 10: 817–825. (tiếng Đức).

    Bản dịch tiếng Anh

    có tại

    Wikisource

    .

  40. ^

    Lời giới thiệu của

    Svante Arrhenius

    cho giải Nobel Vật lý năm 1921, ngày 10 tháng 12, năm 1922.

    Văn bản online

    tại [nobelprize.org],

    Quỹ Nobel

    2008. Truy cập ngày 2008-12-05.

  41. ^

    Einstein, A. (1916). “Zur Quantentheorie der Strahlung”. Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft zu Zürich. 16: 47. Also Physikalische Zeitschrift, 18, 121–128 (1917). (tiếng Đức)

  42. ^

    a

    ă

    Compton, A. (1923).

    “A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements”

    . Physical Review. 21: 483–502.

    doi

    :

    10.1103/PhysRev.21.483

    .

  43. ^

    a

    ă

    â

    Pais, A. (1982).

    Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein

    . Oxford University Press.

    ISBN

     

    0-198-53907-X

    .

  44. ^

    a

    ă

    Millikan, R.A (1924).

    “Robert A. Millikan’s Nobel Lecture”

    .

  45. ^

    Hendry, J. (1980). “The development of attitudes to the wave-particle duality of light and quantum theory, 1900-1920”. Annals of Science. 37 (1): 59–79.

    doi

    :

    10.1080/00033798000200121

    .

  46. ^

    N. Bohr; Kramers, H.A.; Slater, J.C. (1924). “The Quantum Theory of Radiation”. Philosophical Magazine. 47: 785–802.Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    ) Also Zeitschrift für Physik, 24, 69 (1924).

  47. ^

    Heisenberg, W. (1933).

    “Heisenberg Nobel lecture”

    .

  48. ^

    Mandel, L.

    (1976). E. Wolf (biên tập). “The case for and against semiclassical radiation theory”. Progress in Optics. North-Holland. 13: 27–69.

    doi

    :

    10.1016/S0079-6638(08)70018-0

    . Đã bỏ qua tham số không rõ |doi_brokendate= (gợi ý |doi-broken-date=) (

    trợ giúp

    )

  49. ^

    Taylor, G.I. (1909). “Interference fringes with feeble light”. Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 15. tr. 114–115.

  50. ^

    Saleh, B. E. A. and Teich, M. C. (2007). Fundamentals of Photonics. Wiley.

    ISBN

     

    0471358320

    .Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (

    liên kết

    )

  51. ^

    Heisenberg, W. (1927).

    “Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik”

    . Zeitschrift für Physik. 43: 172–198.

    doi

    :

    10.1007/BF01397280

    . (tiếng Đức)

  52. ^

    E.g., p. 10f. in Schiff, L.I. (1968).

    Quantum Mechanics

    (ấn bản 3). McGraw-Hill.

    ISBN

     

    0070552878

    .

    ASIN

    B001B3MINM

    ..

  53. ^

    Kramers, H.A.

    (1958). Quantum Mechanics. Amsterdam: North-Holland.

    ISBN

     

    0486495337

    .

    ASIN

    B0006AUW5C

    .

  54. ^

    Bohm, D.

    (1989) [1954].

    Quantum Theory

    . Dover Publications.

    ISBN

     

    0-486-65969-0

    .

  55. ^

    T.D. Newton &

    Wigner, E.P.

    (1949). “Localized states for elementary particles”. Reviews of Modern Physics. 21: 400–406.

    doi

    :

    10.1103/RevModPhys.21.400

    .Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    )

  56. ^

    Bialynicki-Birula, I. (1994).

    “On the wave function of the photon”

    (PDF). Acta Physica Polonica A. 86: 97–116.

    Bản gốc

    (PDF) lưu trữ ngày 29 tháng 7 năm 2020. Truy cập ngày 17 tháng 2 năm 2011.

  57. ^

    Sipe, J.E. (1995). “Photon wave functions”. Physical Review A. 52: 1875–1883.

    doi

    :

    10.1103/PhysRevA.52.1875

    .

  58. ^

    Bialynicki-Birula, I. (1996). “Photon wave function”. Progress in Optics. 36: 245–294.

    doi

    :

    10.1016/S0079-6638(08)70316-0

    .

  59. ^

    M.O. Scully & Zubairy, M.S. (1997).

    Quantum Optics

    . Cambridge (UK): Cambridge University Press.

    ISBN

     

    0-521-43595-1

    .Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    )

  60. ^

    Bose, S.N.

    (1924). “Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese”.

    Zeitschrift für Physik

    . 26: 178–181.

    doi

    :

    10.1007/BF01327326

    . (tiếng Đức)

  61. ^

    Einstein, A. (1924). “Quantentheorie des einatomigen idealen Gases”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), Physikalisch-mathematische Klasse. 1924: 261–267. (tiếng Đức)

  62. ^

    Einstein, A. (1925). “Quantentheorie des einatomigen idealen Gases, Zweite Abhandlung”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), Physikalisch-mathematische Klasse. 1925: 3–14.

    doi

    :

    10.1002/3527608958.ch28

    . (tiếng Đức)

  63. ^

    M.H. Anderson; Ensher, J.R.; Matthews, M.R.;

    Wieman, C.E.

    ;

    Cornell, E.A.

    (1995).

    “Observation of Bose–Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor”

    (PDF).

    Science

    . 269 (5221): 198–201.

    doi

    :

    10.1126/science.269.5221.198

    .

    PMID

     

    17789847

    .Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    )

  64. ^

    Streater, R.F.; Wightman, A.S. (1989). PCT, Spin and Statistics, and All That. Addison-Wesley.

    ISBN

     

    020109410X

    .

  65. ^

    Einstein, A.

    (1916). “Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie”. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 18: 318–323.

    Bibcode

    :

    1916DPhyG..18..318E

    . (tiếng Đức)

  66. ^

    Phần 1.4 trong Wilson, J.; Hawkes, F.J.B. (1987). Lasers: Principles and Applications. New York: Prentice Hall.

    ISBN

     

    0-13-523705-X

    .

  67. ^

    P. 322 in Einstein, A. (1916). “Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie”. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 18: 318–323.

    Bibcode

    :

    1916DPhyG..18..318E

    . (tiếng Đức):

    Die Konstanten Amn{displaystyle A_{m}^{n}} and Bmn{displaystyle B_{m}^{n}} würden sich direkt berechnen lassen, wenn wir im Besitz einer im Sinne der Quantenhypothese modifizierten Elektrodynamik und Mechanik wären.”

  68. ^

    Dirac, P.A.M. (1926). “On the Theory of Quantum Mechanics”. Proceedings of the Royal Society A. 112 (762): 661–677.

    Bibcode

    :

    1926RSPSA.112..661D

    .

    doi

    :

    10.1098/rspa.1926.0133

    .

  69. ^

    a

    ă

    Dirac, P.A.M.

    (1927).

    “The Quantum Theory of the Emission and Absorption of Radiation”

    (PDF). Proceedings of the Royal Society A. 114 (767): 243–265.

    Bibcode

    :

    1927RSPSA.114..243D

    .

    doi

    :

    10.1098/rspa.1927.0039

    .

    Bản gốc

    (PDF) lưu trữ ngày 25 tháng 4 năm 2012. Truy cập ngày 4 tháng 2 năm 2013.

  70. ^

    a

    ă

    Dirac, P.A.M.year=1927b. The Quantum Theory of Dispersion. Proceedings of the Royal Society A. 114. tr. 710–728.

  71. ^

    W. Heisenberg &

    Pauli, W.

    (1929). “Zur Quantentheorie der Wellenfelder”. European Physical Journal-Zeitschrift für Physik. 56: 1.

    Bibcode

    :

    1929ZPhy…56….1H

    .

    doi

    :

    10.1007/BF01340129

    .Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    ) (tiếng Đức)

  72. ^

    W. Heisenberg &

    Pauli, W.

    (1930). “Zur Quantentheorie der Wellenfelder”. European Physical Journal-Zeitschrift für Physik. 59 (3–4): 139.

    Bibcode

    :

    1930ZPhy…59..168H

    .

    doi

    :

    10.1007/BF01341423

    .Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    ) (tiếng Đức)

  73. ^

    Fermi, E.

    (1932).

    “Quantum Theory of Radiation”

    (PDF). Reviews of Modern Physics. 4: 87.

    Bibcode

    :

    1932RvMP….4…87F

    .

    doi

    :

    10.1103/RevModPhys.4.87

    .[

    liên kết hỏng

    ]

  74. ^

    Born, M.

    (1926).

    “Zur Quantenmechanik der Stossvorgänge”

    (PDF). Zeitschrift für Physik. 37 (12): 863–867.

    Bibcode

    :

    1926ZPhy…37..863B

    .

    doi

    :

    10.1007/BF01397477

    .[

    liên kết hỏng

    ](tiếng Đức)

  75. ^

    Born, M.

    (1926). “Quantenmechanik der Stossvorgänge”. Zeitschrift für Physik. 38 (11–12): 803.

    Bibcode

    :

    1926ZPhy…38..803B

    .

    doi

    :

    10.1007/BF01397184

    . (tiếng Đức)

  76. ^

    Pais, A. (1986).

    Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World

    . Oxford University Press. tr. 260.

    ISBN

     

    0-19-851997-4

    . Đặc biệt là, Born công nhận đã lấy cảm hứng từ công trình chưa bao giờ được xuất bản của Einstein trong nỗ lực ông cố gắng phát triển một “lý thuyết trường ảo”, ở đó các hạt điểm photon chuyển động tuân theo xác suất của trường ảo miêu tả bởi phương trình Maxwell.

  77. ^

    Debye, P.

    (1910). “Der Wahrscheinlichkeitsbegriff in der Theorie der Strahlung”.

    Annalen der Physik

    . 33 (16): 1427–1434.

    Bibcode

    :

    1910AnP…338.1427D

    .

    doi

    :

    10.1002/andp.19103381617

    . (tiếng Đức)

  78. ^

    M. Born &

    Heisenberg, W.

    ;

    Jordan, P.

    (1925). “Quantenmechanik II”. European Physical Journal-Zeitschrift für Physik. 35 (8–9): 557–615.

    Bibcode

    :

    1926ZPhy…35..557B

    .

    doi

    :

    10.1007/BF01379806

    .Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (

    liên kết

    ) (tiếng Đức)

  79. ^

    Phần tán xạ Photon-photon 7-3-1, Chương 8-2 trong Itzykson, C.; Zuber, J.-B. (1980). Quantum Field Theory. McGraw-Hill.

    ISBN

     

    0-07-032071-3

    .

  80. ^

    Weiglein, G. (2008). “Electroweak Physics at the ILC”. Journal of Physics: Conference Series. 110 (4): 042033.

    Bibcode

    :

    2008JPhCS.110d2033W

    .

    doi

    :

    10.1088/1742-6596/110/4/042033

    .

  81. ^

    Bauer, T. H., Spital, R. D., Yennie, D. R. and Pipkin, F. M, The hadronic properties of the photon in high-energy interactions, Rev. Mod. Phys. 50, 261–436 (1978), tr 292–293

  82. ^

    Theory of strong interactions, J. J. Sakurai, Ann. Phys., 11 (1960)

  83. ^

    T.F. Walsh and P.M. Zerwas, Two-photon processes in the parton model, Physics Letters B44 (1973) 195

  84. ^

    E.Witten, Anomalous cross-section for photon – photon scattering in gauge theories, Nuclear Physics B120 (1977) 189

  85. ^

    R. Nisius, The photon structure from deep inelastic electron photon scattering, Physics Report 332 (2000) 165

  86. ^

    a

    ă

    Ryder, L.H. (1996).

    Quantum field theory

    (ấn bản 2). Cambridge University Press.

    ISBN

     

    0-521-47814-6

    .

  87. ^

    Sheldon Glashow Nobel lecture

    , delivered ngày 8 tháng 12 năm 1979.

  88. ^

    Abdus Salam Nobel lecture

    , delivered ngày 8 tháng 12 năm 1979.

  89. ^

    Steven Weinberg Nobel lecture

    , delivered ngày 8 tháng 12 năm 1979.

  90. ^

    Ví dụ chương 14 trong Hughes, I. S. (1985).

    Elementary particles

    (ấn bản 2). Cambridge University Press.

    ISBN

     

    0-521-26092-2

    .

  91. ^

    Ví dụ phần 10.1 trong Dunlap, R.A. (2004). An Introduction to the Physics of Nuclei and Particles. Cengage Learning.

    ISBN

     

    0-534-39294-6

    .

  92. ^

    Radiative correction to electron mass section 7-1-2, anomalous magnetic moments section 7-2-1, Lamb shift section 7-3-2 and hyperfine splitting in positronium section 10-3 in Itzykson, C.; Zuber, J.-B. (1980). Quantum Field Theory. McGraw-Hill.

    ISBN

     

    0-07-032071-3

    .

  93. ^

    Ví dụ phần 9.1 (đóng góp vào nguồn hấp dẫn của photon) và phần 10.5 (ảnh hưởng của trường hấp dẫn lên ánh sáng) trong Stephani, H.; Stewart, J. (1990).

    General Relativity: An Introduction to the Theory of Gravitational Field

    . Cambridge University Press. tr. 86 ff, 108 ff.

    ISBN

     

    0-521-37941-5

    .

  94. ^

    Naeye, R. (1998).

    Through the Eyes of Hubble: Birth, Life and Violent Death of Stars

    . CRC Press.

    ISBN

     

    0-7503-0484-7

    .

    OCLC

     

    40180195

    .

  95. ^

    Ch 4 trong Hecht, Eugene (2001). Optics. Addison Wesley.

    ISBN

     

    978-0-8053-8566-3

    .

  96. ^

    Polaritons section 10.10.1, Raman and Brillouin scattering section 10.11.3 in Patterson, J.D.; Bailey, B.C. (2007).

    Solid-State Physics: Introduction to the Theory

    . Springer. tr. 569 ff, 580 ff.

    ISBN

     

    3-540-24115-9

    .

  97. ^

    E.g., section 11-5 C in Pine, S.H.; Hendrickson, J.B.; Cram, D.J.; Hammond, G.S. (1980). Organic Chemistry (ấn bản 4). McGraw-Hill.

    ISBN

     

    0-07-050115-7

    .

  98. ^

    Nobel lecture given by G. Wald on ngày 12 tháng 12 năm 1967, online at nobelprize.org:

    The Molecular Basis of Visual Excitation

    .

  99. ^

    Photomultiplier section 1.1.10, CCDs section 1.1.8, Geiger counters section 1.3.2.1 in Kitchin, C.R. (2008). Astrophysical Techniques. Boca Raton (FL): CRC Press.

    ISBN

     

    1-4200-8243-4

    .

  100. ^

    Denk, W.; Svoboda, K. (1997). “Photon upmanship: Why multiphoton imaging is more than a gimmick”. Neuron (journal). 18 (3): 351–357.

    doi

    :

    10.1016/S0896-6273(00)81237-4

    .

    PMID

     

    9115730

    .Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (

    liên kết

    )

  101. ^

    Lakowicz, J.R. (2006).

    Principles of Fluorescence Spectroscopy

    . Springer. tr. 529 ff.

    ISBN

     

    0-387-31278-1

    .

  102. ^

    Jennewein, T.; Achleitner, U.; Weihs, G.; Weinfurter, H.; Zeilinger, A. (2000). “A fast and compact quantum random number generator”. Review of Scientific Instruments. 71 (4): 1675–1680.

    arXiv

    :

    quant-ph/9912118

    .

    Bibcode

    :

    2000RScI…71.1675J

    .

    doi

    :

    10.1063/1.1150518

    .

  103. ^

    Stefanov, A.; Gisin, N.; Guinnard, O.; Guinnard, L.; Zbiden, H. (2000). “Optical quantum random number generator”. Journal of Modern Optics. 47 (4): 595–598.

    doi

    :

    10.1080/095003400147908

    .

Bổ sung tài liệu tham khảo[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Theo thời gian xuất bản:

  • Clauser, J.F. (1974). “Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect”. Physical Review D. 9: 853–860.

    doi

    :

    10.1103/PhysRevD.9.853

    .

  • Kimble, H.J.; Dagenais, M.; Mandel, L. (1977). “Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence”. Physical Review Letters. 39: 691–695.

    doi

    :

    10.1103/PhysRevLett.39.691

    .

  • Grangier, P.; Roger, G.; Aspect, A. (1986). “Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences”. Europhysics Letters. 1: 173–179.

    doi

    :

    10.1209/0295-5075/1/4/004

    .

  • Lamb, W.E.

    (1995). “Anti-photon”. Applied Physics B. 60: 77–84.

    doi

    :

    10.1007/BF01135846

    .

  • Số đặc biệt của trang tin Optics and Photonics News (vol. 14, tháng 10 năm 2003

    địa chỉ web bài viết

    • Roychoudhuri, C.; Rajarshi, R. “The nature of light: what is a photon?”. Optics and Photonics News. 14: S1.
    • Zajonc, A. “Light reconsidered”. Optics and Photonics News. 14: S2–S5.
    • Loudon, R. “What is a photon?”. Optics and Photonics News. 14: S6–S11.
    • Finkelstein, D. “What is a photon?”. Optics and Photonics News. 14: S12–S17.
    • Muthukrishnan, A.; Scully, M.O.; Zubairy, M.S. “The concept of the photon—revisited”. Optics and Photonics News. 14: S18–S27.
    • Mack, H.; Schleich, W.P. “A photon viewed from Wigner phase space”. Optics and Photonics News. 14: S28–S35.
  • Glauber, R. (2005).

    “One Hundred Years of Light Quanta”

    (PDF). 2005 Physics Nobel Prize Lecture.

Liên quan đến giáo dục:

  • Thorn, J.J.; Neel, M.S.; Donato, V.W.; Bergreen, G.S.; Davies, R.E.; Beck, M. (2004).

    “Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory”

    (PDF). American Journal of Physics. 72: 1210–1219.

    doi

    :

    10.1119/1.1737397

    .

  • Bronner, P.; Silberhorn, Christine; Meyn, Jan-Peter; và đồng nghiệp (2009).

    “Interactive screen experiments with single photons”

    (PDF). European Journal of Physics. 30: 345–353.

    doi

    :

    10.1088/0143-0807/30/2/014

    . “Và đồng nghiệp” được ghi trong: |last2= (

    trợ giúp

    )

  • Photon (subatomic particle)

    tại

    Encyclopædia Britannica

    (tiếng Anh)

  • Photon

    tại

    Từ điển bách khoa Việt Nam

<!– NewPP limit report Parsed by mw1319 Cached time: 20210605231905 Cache expiry: 1814400 Reduced expiry: false Complications: [vary‐revision‐sha1] CPU time usage: 2.318 seconds Real time usage: 2.711 seconds Preprocessor visited node count: 17720/1000000 Post‐expand include size: 341014/2097152 bytes Template argument size: 19312/2097152 bytes Highest expansion depth: 22/40 Expensive parser function count: 3/500 Unstrip recursion depth: 1/20 Unstrip post‐expand size: 333304/5000000 bytes Lua time usage: 1.087/10.000 seconds Lua memory usage: 22593586/52428800 bytes Lua Profile: Scribunto_LuaSandboxCallback::getExpandedArgument 260 ms 19.7% ? 240 ms 18.2% Scribunto_LuaSandboxCallback::match 120 ms 9.1% Scribunto_LuaSandboxCallback::gsub 80 ms 6.1% 60 ms 4.5% Scribunto_LuaSandboxCallback::callParserFunction 60 ms 4.5% is_alias_used 40 ms 3.0% Scribunto_LuaSandboxCallback::getEntityStatements 40 ms 3.0% Scribunto_LuaSandboxCallback::getAllExpandedArguments 40 ms 3.0% dataWrapper 40 ms 3.0% [others] 340 ms 25.8% Number of Wikibase entities loaded: 1/400 –>

Lấy từ “

https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Photon&oldid=64921506

Chuyên mục: Kiến thức

Related Articles

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Check Also
Close
Back to top button