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2002 年 8 月 29 日

光是什麼？ (5) 光的粒子性 (光子)
提供者 : 陳輝樺 (AEEA 小組 , NMNS )

說明: 雖然光是種電磁波，有時表現其波動特性，如光的「干涉 (Interference)」和「繞射 (Diffraction)」現象；但在「 空腔輻射 (Cavity Radiation)」和「 光電效應 (Photoelectric Effect)」上又像小粒子流，這小粒子的特性正是光的量子性現象，稱之為「光子 (Photon)」。換言之，光子表示著光波或其他電磁波能量的單位或量子；一個光子能量是卜朗克常數 (Planck constant) h (h = 6.62 x 10^-27 爾格秒) 與光波頻率 ν 的乘積。因為卜朗克常數 h 數值很小，所以一個光子的能量非常小，如一個紅光 (8000 埃) 光子能量約為 2.45 x 10^-12 爾格，一個紫光 (4000 埃) 光子能量約為 4.9 x 10^-12 爾格。光子在真空中的行進速度 (也就是真空中光速為恆定值) c (c 值為 299792458 公尺 / 秒) ，光子動量為 h ν / c (或是 h / λ，λ 是光波的波長) 。光子和自由電子碰撞會交換彼此的能量 (即康普頓效應 (Compton Effect) ) ，但它們碰撞的動量總和仍是守恆的。上圖是提出光波量子輻射概念的 卜朗克 (Max Planck 1858 - 1947) 照片。
雖然馬克士威的電磁波理論，成功地解釋光的干涉、繞射和其他的電磁波輻射特性。但在空腔輻射的問題上，卜朗克假設空腔輻射能量是「連續的 (continuous) 」，但描述簡諧共振子 (Oscillators) 的總能量是由分立的單位元 (discrete 『elements』) 所組成，而有量子現象。愛因斯坦於 1905 年提出關於「 空腔輻射 」的論文，倫文中對於輻射能量之量子性看法不同於卜朗克假設，他指出光學觀測時所量測到的數值是對時間的平均值，並不是瞬間的數值，而且波的理論 (Wave theory) 並無法提供個別的「吸收」或「釋出」能量的事件 (events) ；所以愛因斯坦以空腔輻射的「entropy」來解釋此輻射能量之量子現象。直到 1926 年，G. N. Lewis 才將此種光的量子性取名為「光子」。

明日主題 : 光是什麼？ (6) 光速

作者與主編 : 陳輝樺、王夕堯
諮詢服務: 陳輝樺 (NMNS 國立自然科學博物館)
王夕堯 (NTPU 國立台北大學)
蘇明俊 (NKNU 國立高雄師範大學科教所)

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