Thursday, August 14, 2014

e01 qcd01 sr01 brain01 white01 gamma01 运动电子; 相对静止的电荷之间 的作用力交换的是何种光子 虚光子, 多电子原子中 , 原子各电子角量子数之和 的奇偶性称之为能级的宇称


,当电子以极大能




量深入到质子内部后,遇到的不是“软”的质


子靶,而是和电子类似的点状“硬”核.它证实

 
了美国盖尔曼在1964年预言的“夸克”


http://chemlab.zstu.edu.cn/ddlx/upfiles/courseware/201032375823081.pdf


第 卷第 期 高 速 摄 影 与 光 子 学 年 月  万
· 句

光子的 自旋与光波的偏振
刘 力
湖南师 范大学物 理系, 长沙,
摘 要 从宏观 以及微观两 个方面对光子的 自旋 与光波的偏振态作了简要的说明 , 并从 原
子 角动量的变化 规律说明 了角动量 与光子 自旋之 间的关系, 也 为进一 步研究光的本性提供了 一些观点。 关健词 自旋 偏振态 角动量 光 子
前 言
光子是中性的即没有相互作用的 以拍 玻色子 , 因而 无论多少 光子都可 以处于 同一状态。 正 因为如此, 我们就可以获得高度有序状态 而且几乎可以无限增强的激光束, 这正是现代高技术所不可缺少的工具之一。 当大 量光子处于相同状态或者说处于 相同的 电磁波态 时, 量子物理中描述光子的波函数与电磁场的 方程就是一 回事。单光 子的波函数描述的是在某处找到这一 光子的几率 , 而往往大量的光子处于同一状态 , 因 而 宏观的 方程也就正确地描述 了这一光子的行为 , 我们也就可 以在宏观 的水平 上 了解波 函数的性质 、 推断光子的正确状态 。 因此经典的 方程在近 代有关导 波光学 、 光学双稳态 、 光存储材料等学科的研究 中仍然应用 自如 。 但如今在高技术应用 领域中 , 除要求光频一致外 , 已愈来愈要求有稳定的 偏振态 , 因此希望在宏观 、 尤其是 在微观的水平上 , 对光束的偏振态有更多的了解与研究。
单光子的 自旋角动量
光波的偏振是大量光子集合的宏观概念 , 在经典的电磁场理论中对其已有完善的叙 述 。 作为基础的左 、 右旋圆偏振光束可以组合成线偏振、 椭圆偏振 、 部份偏振等光束, 它描述 了电磁场的电矢量的各种不同的振动方向与方式 。 由于光波具有动量 , 因而当分 析 电磁波的电矢量处于旋转状态 时 , 人们必定想 到左 、 右旋圆偏振光具有一定的角动氢 例如, 当一束圆偏振平面光波垂直入射在一吸收表面上时, 光束 将传递给吸收表面一个 与传播方向平行的角动量 , 即在这一 表面 产生一扭 力矩而可 以使其转动 , 角动量或扭力 矩的方向 由投射的圆偏振光的旋转方 向决定。 年美国的 就用实验证实 了 这一效应 , 目前在这类实验中, 检测转矩的 灵敏度已达到了 一, “ · , 可以计算出单 位面积上的扭力矩的大小 为 二 , 二
本文钧 年玛 月 日收到
卷高 速 摄 影 与 光 子 学
式中 为光束强度 , 因一个光子携带的能量为 万 二 加 , 若一个光束单位截面积有 个光 子 , 则其单位面积上 的功率 为 加 , 则 , 充 由上式可知 , 每一个光子携带的角动量的大 小 为方 , 因 为 常数 , 因而光子角动 量的大小 为一 固定量 而与光子的能量 或频率无关 , 即 任何频率的 光子都具有相 同的角动 量 , 这种固有的物理现象称为光子的 自旋 , 充 即是光子 自旋角动量的唯一的量子化单位。 为何光子的 自旋值为一定量 电子绕原子核旋转的这一概念 , 必然引导出 角动量的概念与遵从角动量守恒的规律 , 而且角动量的大 小与取向的量子化也是微观世界的客观规律。 在描述原子结构的 四个主 ‘ 要量子数中。 除涉及 总能量的主量子数之外 , 其它三个量子数都与粒子的轨道旋转及其 本身的 自旋有关 , 在原子能态发生变化时 , 主量子数的取值范围不受限制, 其辐射或吸 收光子的频率的变化范围也就不受限制 。 原子的 角动量虽 可改变 妹 或 汽 , 但实际上光 子获得的角动量 只是一个单位的 方 , 因而在原子光谱中 , 凡是角动量为非方的变化的能 级跃迁是没有的 , 这一在实验 中观察 到并 总结出来的 规律可推广到任何辐射性跃迁 , 即 原子的角量子数 、 磁量子数 、 及 自旋 量子数 的变化 必遵从 称之为禁戒跃迁的如下 规律 △二 、 士 , 八, 二 、 士 , △ 二 。 凡是不遵守上述条件的两个能级 之间的任何辐射 跃迁都是被禁止 的 , 也就是说 , 在电子 能级跃迁 、 辐射或吸收光子所交换的角动量只 能 是一个单位的 方 值。 在多电子原子中 , 原子各电子角量子数之和 的奇偶性称之为能级的宇称 , 原子在发 射或吸收光子时 , 还 要遵从称之为宇称守恒的选择定则。 在物理学 中, 左 、 右对称是一 种分立对称 , 而旋转 对称是连续 的对称 , 而对称 这一概念在物理学中所起的作用是无法 估量的 , 如原子结构、 反粒子的推测与发现等, 对称是人们思考 问题的最基本的方法之 一 。 在经典力学 中, 连续对称一定导致守恒定律 , 空间旋转下的不变性的结果就是角动 量守恒 , 宏观条件下 的分立对称则不 能导 出什么守恒定律, 但对微观粒子而言, 在量子 力学 中左右分立对称与连续对称的差别消失 , 左右对称导致 了宇称守恒定律 。 在多电子原子中 , 依照原子各电子角量子数 之和的奇偶性而分 为两类宇称, 若 值之和 是偶数, 则原子具有偶宇称 , 偶宇称定义 为具有 的宇称 , 若 值之和为奇数 , 则称之为奇宇称 , 定义为具有一 的宇称 , 而光子的宇称定义为一 , 这些定义的原 由在于 对原子的角动量与发射或吸收光子本身的 自旋的左右反演和旋转的联合操作中总结出 来 的 。 宇称守恒的规则为 在发射或吸收一个光子的原子跃迁过程中 , 在计算宇称时要把 变化前后粒子的宇称乘起来, 使初态的宇 称等于终态 的总宇机 这样一来, 原子能级的 变化总是 由偶变奇或 由奇变偶, 即
偶 ” 奇或奇 ‘ 偶为容许跃迁 奇 奇或偶 ‘ 偶为禁戒跃迁
这一 由 总结出 来的经验规则 , 很快就 为 枷 证明是电磁力左 、右对 称性的结果 , 在物理学中硕果累累的宇称守恒定律, 也同样确立 了光子的 自旋 角动量只
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能 是一 个单位 的汽 值。 正 电子与 电子湮灭 时转化为光子的现象, 也对光子 自旋态的研究提供 了一个很好的 例证。 正 电子与电子翻淇 有 自旋, 当它们类似于氢原子相互围绕对方旋转 时, 要么两者 的 自旋相 反, 要么相 同。 如果 两种电子的 自旋同向 , 这样一种组 合态称为正电子偶素 , 相 反则称为仲 电子偶 素。 实验发现正 电子偶素存在的寿命比仲电子偶素长一百多倍 。 理 论 上的分析认 为这是 由于 仲电子偶素内的两种电子的 自旋相反, 因而其角动量为零, 而 正 电子偶素两种电子的 自旋方向相同 , 因而系统的总角动量为 电子 自旋角动 量值为 士会 个单位 , 因此前者在。时可以产生两个 自旋相反的光子而总角动量仍为零 , 而后‘ 者必需产生三个光子才能保持湮灭前 、 后的总角动量守恒为 , 在量子 电动力学 中可推 算出正电子偶素产生三个光子的衰变率要比仲电子偶素低一个 二 的因 子, 也就是 其寿命要长 倍 , 而这已为实验所证实 了的事实 , 在更高一层 次的高能物理研究中再 次证实了光子的两种 自旋态以及其角动量值为一个单位的方值。
光子的 自旋与偏振光束的两种状态
光子 自旋 仅意味着光子本身具有一定的角动量 , 而任何一个微观粒子具有的角动量 是它的 自旋 角动量与轨道 角动量之和 , 但 ‘ 若只 考虑沿着光的传播方向上的 总的角动量 , 则 此时的轨道 角动量为零 , 因此光子在传播方向上 总的角动量就是其 自身的 自旋 角动氢 光子是 自旋 为 的粒子 , 在量子物理中, 任何 自旋为 的微观粒 子在其运动方向上可 以 有三种态 , 即 三种投影 十 , 。 , 一 。 从 原子角动量的宇称变化 或选择 定则可 以看 出 光子没有为 。 的这一状态 , 这当然与 电子的两种 自旋态有关, 而且这也涉及到光是横波 以及没有静 止状态 , 静止质量 为零 的粒子不经过变换是不可能静 止下来的, 这种粒子只 可能在绕其运动方向上的轴旋转才不会改 变其动量状态 。 在气体激光器的 激光腔中 , 受激原子的角动量向 “ 上” 或向 “下” 绕 原子核旋转的 电子 , 或在正 、 反两个方向上旋转的 电子的数量 , 其统计值是各 占一半的 。 当一光子接 近一受激原子时 , 将感应其从 一量子态改变到另一量子态 , 在此期间其电子的几率分布 变成相干的 , 而且发生与入射光子相同的正弦振荡 , 其振荡频率 与 频率 。 , 一 一 万 有精确相等 , 因而辐射 出一全同光子 , 辐射光子的 自旋态 自然全 同于入射光子 , 而 入射光子也只 感生遵从选择定则及宇称守恒的受激原子 , 而这在来回反射 的激光腔中入 射光子将会照顾到具有正负角动量的所有受激原子 , 因此辐射光 子的 自旋态依感生原子 角动量的正 、 负方向而分为两类, 通常习 惯地作出如下规 则 凡光子 自旋 方向平行于光 束的传播方 向称之为右旋圆偏振光 , 而对于左旋圆偏振光 , 光子的 自旋方向则反向平行于 其传播方向。 因此 , 对宏观的偏振光而言 , 左 、 右旋圆偏振光是最基本的 了” 。 对 于由左、 右旋圆偏振光等量组 合而形成的线偏振光束中的一 个光子而言 , 是不能 确定其是左旋 或右旋的 , 只能说此光束中的光子是全同的, 而 此光束 中的光子处 于某一 自旋态的几率是各占二分之一 , 单色非偏振光束中的各光子也是全同的 , 因为我们不可 能分辨 出非偏振光束中单一光子的不同 自旋态 , 这些说法与实验事实是完全一 致的。 事
‘明 一 鱼 鱼鱼遭二趾色二遗二一一一一一止堕一 实上 , 任何非偏振光束都不会显示 出它 过去的组 合历史, 即它是 由两束正文的线偏振光、 圆偏振光 、 椭 圆偏振光或更复杂的光束形式非相千地组合而成的 。 当企 图真要做到测量出单一光子 是左旋还是右旋 的时候 , 量子力学 中的测不准原理 就要起作 用了 , 也可 以说测 不准 原理保护着量子 力学 , 在微观世界中 , 物理学已放弃了 去精确预 言在确定环境下会发生的事情, 而只 能预言可能性。 一种光子状态在相空间内所 占据的最小体积单元为 么仰二 △ 八八 , 么 △ 夕吞八 、 △ 称 为相体积元或相格 , 在同一相格内所有的光子是不 可区分的, 但 由于光子具有两 种完全独立的 自旋态 , 因此严格说来 , 对光子而言 , 一个相格之内, 全 同的光子对应于 两 种光子的 自旋态 , 这是微观世界 中的一种概率的说法 , 也确实是一种使人感兴趣的、 目 前尚只能如此说 的说法。
虚光子及光子研究中的新进展
不是运动电子而是相对静止的电荷之间 的作用力交换的是何种光子 在量子电动力学 中说明 产生电磁作用 力的光子有两类 , 第一类即实光子或叫横光子 、 磁光子 , 即我们在 前面讨论 的由运动电荷产生的具有确 定 自旋态的光子 , 这种光子只要不与其它粒子相互 作用 , 就会有无穷长的寿命 , 而且 由其产生的电荷之间的相互作 用力, 也因其无静止质 量而力程也是无穷大的。 另一类是虚光子 , 因为描述的是静止电荷之 间 电磁 场之 间的 相互作用 因而又称之为 光 子 , 虚光子是从不作 为真实粒子而单独存在 的 , 两个静止电子之间的 相互作用来 自虚光子的交换 , 当一个 电子发射一个虚 光子 时, 其反应式与实光子 的发射一样
一, 虚光子 或光 子发 射前后 电子本身没有变化, 这个虚光子跑到第二个 电子那里被吸收, 第二个电子也发 射一个虚光子给 第一个电子 。 可以证明两个电子间虚光子的交换可 以给出与电子间距 离 成简单反比的相互作用关系 , 也就是通常的 势能“。 虚 光子的寿命是非常短的, 这可 以 由测不准 关系推算出来, 也正 由于电子间交换 虚光子的时间极短, 因而虚光子也 可 以具有质量 , 在现代高 能加速器中 已可 以产生三百亿电子伏  的虚光子 , 也 就是说其质量可 以比质子质量还要大三十倍 , 但 这只是在静电相互作用 中的推断, 而虚 光子从不会真实地存在。 理论上也认 为在真空中充满着虚光子 , 但 由于其是 电中性的 , 所 以对充满 真空 中的正 电子 以及正电子与电子的湮灭不起作用。 年 与 提出了一个有争议的实验 即一个完全屏蔽的磁 体的磁场 , 可以对经过其旁的运动电子发生作用 , 而近年来的实验证实 了这一现象, 即 称之为 。。 腼 效应 ‘ , “。 例如在电子双缝干涉实验中, 在缝后的缝间隔中平 行放置 一完全屏蔽的筒形磁体 , 在导磁或去磁时 , 屏幕上的千涉 条纹会发生位移 , 至今 仍不清楚在这效应 中 , 运动电子与完全屏蔽的磁体之间是如何交换光子的 , 而且交换的 是何种光子 。 在光的双缝干涉实验中 , 巧  曾说过 “每一个光子都部分地 进入两分束中的每一
期 光子 的 自旋与 光波 的偏振
束, 这样, 每个光子只同它 自己发生干涉 , 决不会发生不同的两个光子之间的千涉”。他 还说 “只 有光子部分地在一 光束, 部分地在另一光束时, 才能在两束光叠加起来时出现 干涉 ” , 这些使人看 了感到困惑的话 到 了现在又更增添 了一层 阴影 , 而到了现在已经实现 了由两台独立 的激光器发出的光束相交而显示 了干涉现象, 及 的 话还对吗 那么两 台激光器之间的光子是如何交换信息的 , 交换的是何种光子 “ 光子有 自旋 但却因其为中性粒子而无磁矩因此无法用外界的方法去改变其 自旋轴的 方向, 但 由于光子的 自旋轴的方向与传播方向一致, 因而使我们 想到若把一光纤绕成一 螺旋状 , 那么 在光的传播过程中 , 将会不断地改变光的 自旋态 , 即 自旋矢量在空 间的指 向 , 当一束线偏振光 在这样的光纤中传播时 , 由于其是光子的两 种 自旋 态的叠加 , 因而 其偏振方 向由两 种自旋态的相位确定 , 当这两种不同的 自旋态的相对相 位发生变化时, 那么就可 以通过光的偏振方向的转动 而直接探测到这一变化, 普 通的磁光效应、 电光效 应似乎都能做到这一点, 但对此也有不同的看法 而认 为是光子 自旋几 何相位变化的表 现 当量子力学更深 入一层地研究 电子绕核运动的相位变化而推 断其 自旋状态时 , 发现 矢量沿曲面上曲线的环路作平行移动时。 系统的某些变量不能回复到其初始值而 产生完 整性的破缺的几何现 象, 在描述粒子 自旋 , 即 一角动量 定态矢量绕核运动即 自旋矢量 沿 曲面运动时, 同样会 出现这种完整性破缺现象 , 这种完整性的破缺又称之为州可相位变 化的现象, 可以 用来测量转 动中的微观粒子。 一些研究人员认为 螺旋形光纤中光子的 自旋态的变化类似于完整性破缺 的运动 , 因而企图用这样的 光纤 测量出微观粒子运动的 几何相位 , 。
结 束 语
近年来, 高 技术的迅猛发展一方面开拓了单频偏振光对有机 、 无机物相 互作用的微 观效应的研 究, 并且使用改变微观粒子角动量的方传, 如各种磁 共振技术在化学 、 生物 学 、 医学通信以及物理学方面的应用取得 了惊人 的成绩 , 另一方面 , 高技术所带来的新 材料及高 灵敏测量与数据 、 图形大规模高速处理功 能, 对光子的 最高有序状态一一单光 子的 自旋—偏振态的研究亦将会更深入 一层 , 也正 如上节所述 , 也将对光子这种百年 以来无法使其再基本 的粒子的性质 , 作出更深入一 层的研究 。


临近原子的最外层电子趋向于自旋磁矩一致的排列,这样在几千个原子的范围内产生了磁矩的有序排列,形成了磁畴

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