光子为什么有角动量？带电原子除了具有电荷和质量自由度，还存在第三个自由度，这一自由度就是电子的自旋

来源: marketreflections 于 2010-12-07 10:00:50 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 阅读数 : (2799 bytes)

质量自由度: easy to price in;

学者杜关祥 发表于 2009-5-25 17:51:33
分类：科研笔记│查看评论：2 │ 浏览：1913 打印 推荐给朋友

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光子为什么有角动量？

写此文以自娱。。。。

Stern－Glach实验通过将一束带相同电荷的原子引入非均匀磁场，实现了对原子的分束，从而说明了带电原子除了具有电荷和质量自由度，还存在第三个自由度，这一自由度就是电子的自旋。电子的自旋可以从Dirac方程完美得到。这一方程被杨振宁称为“神来之笔”。上大学那会，看到这个数学方程有如此简洁的表达方式，当时是很震撼的。

光子，作为光波的能量量子，有动量，有能量，而且还有角动量。和电子的角动量是＋/- (1/2)不同，光子的角动量是+/-(1)。也就是谱朗克常数的整数倍。那么光子的角动量从哪里来？研究分子原子光谱的都知道原子或分子光谱的精细结构起源于电子具有自旋这一基本假设（后来多数实验证明，自旋是电子的本征属性），而超精细结构则与原子核自旋有关，原子核自旋和电子自旋的相互作用导致能级的劈裂，但由于核自旋是电子自旋的1830分之一，这种相互作用要比电子自旋－电子自旋的耦合弱得多，能级的能量差也晓得多，要从光谱上分离这么小的能量差别技术上也要困难得多。但科学家们做到了。

普通材料在平衡状态下一般不发光，太阳光是因为太阳内部的核反应产生的能量激发太阳气体原子辐射光。激光是因为受激物质在外部输入能量的激发下处于高能级的电子多于处于低能级的电子，也就是非平衡态，荧光物质也是收到辐照高能电子向低能级跃迁辐射能量差－光子，只不过以一种更缓和的方式。水母天然就是荧光使者。美不胜收。

由于光学技术的发展，我们能人为的产生各种能量的光波，或者说各种波长的光波。经过处理，我们可以输出平面波（只是技术上的考虑而已，没有更多的物理东西），球面波，这是说波的相速度，或波前。相位，在光学中是一个非常重要的概念，光的波动性就体现在这里，衍射和干涉，甚至反射和折射都与光波的相位有关精髓。光的相位的重要性可以用量子力学中的几率波来理解。量子力学中，没有相，就没有氢原子的能级，就没有量子阱态以及半导体能带结构，二极管和现代计算机。

线偏振和左旋偏振，右旋偏振，这些概念都是从技术考虑引进的，目的是为了控制光的传输。基本的物理内涵是波的可叠加原理。描述光的电磁波是可以叠加的。比如线偏振光，具有偏振面，电场矢量在传输空间和时间里始终位于一个平面，就是偏振面，这样的光其实可以分解为左旋圆偏振和右旋圆偏振光的叠加。左旋光和右旋光具有刚好相反的角动量，因此，根据光波吸收和辐射的跃迁定则，这二者和物质的作用是不同的，所谓不同就是因为一般的物质，电子结构对自旋向上和自旋向下是不同的。一个光子和物理相互作用是，必须满足两个条件，光子才能吸收然后辐射出来。（一）电子吸收光子能量跃迁到高能级，这个能级差必须等于光子能量，（二）电子从低能级跃迁到高能级，二者的角动量之差必须等于光子的角动量。这其实是磁光kerr效应的起源。磁性材料通过改变其磁矩方向从而改变其电子结构，使得材料能改变光的偏振状态。通过设置一检偏器，我们能容易的控制光的通过或不通过。这就是我说的为什么偏振实际上是技术上的概念，真正的物理很简单。



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