如果光子没有质量也不带电,那么为什么它的穿透性比中微子小呢?

时间:2021-08-24 08:52:21   作者:
因为光子也是电磁波,它是在空间中传播的电场和磁场的交替。当它们穿过含有自由运动电荷(等离子体或金属)的材料时,自由电子会振荡(尽管原子核也带电,它们太重了,无法移动)以相同的频率响应交变电场(磁场引起的洛伦兹力太弱,除非电荷移动速度接近光速)。这种振荡一方面造成能量耗散;OTOH发射相同频率但方向相反的电磁波,这就是为什么光和无线电波不能穿透金属或等离子体,但可以被它们反射。

如果光子没有质量也不带电,那么为什么它的穿透性比中微子小呢?

一些材料,如钻石、石英、氮化镓和氮气,允许光线通过。这些物质没有自由移动的电子。相反,电子被限制在由带隙分隔的离散能带中。因此,电子需要足够的能量来克服带隙,否则光只能通过,吸收很少。有趣的是,电子能否穿过带隙与光的强度无关,而与光的频率/波长有关。原因是电子一次只吸收一个单位的能量,根据著名的E=hv,这个“能量单位”(即光子)与频率成线性比例。因此,频率越高(波长越短),光子能量就越高。当光子能量越过一个阈值时,材料就不再透明了。例如,硅晶体对可见光是不透明的,但对红外是透明的,因为硅的带隙太窄,可见光光子无法通过。

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如果光子没有质量也不带电,那么为什么它的穿透性比中微子小呢?

但问题来了。这两种情况下的电磁波是一样的(甚至它们的频率可以是一样的),但为什么它们被区别对待呢?换句话说,为什么电磁波表现得像金属或等离子体中的经典波,而像绝缘体中的粒子?事实上,大多数物理学家也不知道答案。他们刚刚发现,经典电磁学最能描述第一种现象,而第二种情况与量子力学模型非常吻合。所以你可以看到物理学很大程度上是建立在实验基础上的。没有绝对正确或错误的理论。相反,每种理论只适用于特定的情况。物理学家的工作是选择一个最能描述实验结果的理论模型。(例如,当观察到晶体的x射线衍射时,劳厄和布拉格用经典的电磁学而不是新生的量子理论来描述这一现象,尽管x射线具有极高的能量和电离性,但这种理论工作得非常好。)
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