03.04 光子在空中飛來飛去,那它是怎麼消失的?

宇宙觀察記錄


光是世界上必備的物質,往往就和空氣一樣被人淡忘。

準確地說,我們在200年前甚至都不知道光是什麼?儘管此前牛頓和胡克分別認為光是粒子和波,但是那只是對光的性質猜測而已。距離徹底認識光的本質還有很長的路要走。

我們現在知道光是由光子這種物質構成的,光子沒有靜止質量,只有運動質量,光子具有波粒二象性,光子從原子內部發出和從能量轉化而來。

回到題目本身,空氣中的光子其實壽命十分短,基本上很快就被物質吸收了

光子在空氣中會遇見空氣分子,灰塵,水蒸氣等等物質,這些都會吸收光子

讓我們從微觀的角度探討一下光子是如何被吸收的?

不光是氧氣,氮氣,二氧化碳分子還是霧霾、水分子等等 都是具有原子結構的,這些原子在化學鍵的作用下形成分子,分子的疊加才有機會形成肉眼可觀的物質(空氣除外)

空氣中的各種原子都具有核外電子,光子在撞擊到核外電子後會被吸收,而吸收光子的核外電子會處於激發態,理論上會釋放出被吸收光子相近頻率的光子。

所以空氣中的光子被原子內部的核外電子吸收後會使其處於激發態,並又釋放光子。

所以空氣中的光子就是一個不斷被吸收和釋放的過程。

如果光子不會被吸收,那麼我們就看不見物體的顏色了,正是因為光子被物體吸收後,再發射出的光子會呈現與原先不同的頻率,這種頻率在可見光的範圍內就是物體的顏色。

那麼光子在什麼情況下不會消失?

只有一個答案:那就是不碰到任何物質,比如浩瀚無垠的宇宙深空。

只要光子不遇到物質,那麼它們就會永遠在宇宙中飛行,它們不會憑空消失。

正是如此,我們才能看見460億光年外星系發出的光,甚至可以看到宇宙大爆炸的第一縷光。


科學認識論


光子如果不被各種費米子所吸收轉化,是不會憑空消失的。

光子的轉化會有下面一些可能:

轉化為電子動(熱)能

低能量的光子,一旦遇到物質原子,通常是被電子吸收,導致電子能級升高躍遷。而躍遷的電子也可能釋放出光子,釋放的光子又會遇到其他電子或原子,就這樣反覆的吸收和釋放。在這個過程中存在著大量電子動能的不斷轉移,實際上相當於在一片電子海洋當中興風作浪泛起波瀾——物質內能因此提升,物體溫度升高。

但實際上任何物體都會向外輻射光子(包括溫度處於絕對零度的黑體),所以這些熱能最終也會轉化為光子,向外部輻射。

轉化為正負電子對

高能量的光子(通常是指伽馬射線),在重原子核附近能夠轉變為一對正負電子,即能量轉換為質量。

但正電子對於(正)物質是不穩定的,很快會跟某個原子當中的電子湮滅釋放出光子,在多次級聯反應之後,光子的能量會逐漸衰減,最後變成熱能。


但總結下來,光子在經歷各種過程之後,仍然會以光子的形式存在,所以可以說光子是不滅的,它只可能詩意地離我們遠去,再也無法進入我們的眼睛,黯然消失在宇宙的時空洪流之中。


小宇堂


光子在空中飛來飛去,那它怎麼消失的?

你的這個提問的焦點是消失這個詞。我們知道,物質在運動過程中會與外界發生能量交換,光可以說是能量交換的產物。我們也知道能既不能創生也不會消失,那麼光作為能量又到哪裡去了?由此可以確定,你的問題只不過是在問,光到哪裡去了?

我們知道,光在各種領域表達方式並不一樣,表現形式也不一樣。在宏觀領域中,光是一種微觀粒子,是呈現出波粒二象性的光量子,也就是說,光即是能量也是物質。光量子在宏觀領域運動時,其光速無法限制。同時我們也不知道光作為粒子有多大。如果把光子控制在一定範圍內位移,這個顯然不能太大,太大了就沒有意義了。假定我們把光子控制在一埃米的範圍內,就會發現在一埃米這個範圍內,光子位移所需要的時間是三十億億分之一秒。我們知道,最小的氫原子直徑是0點5埃米,鈉原子的直徑是3點8埃米。這個時候,我們發現光可以順利通過氫元素等氣態元素構成的空間,卻不能順利通過鈉等金屬元素構成的空間。

顯然,我們就會問,通不過的光子去哪裡了?

前面我們說光在不同領域表達方式不一樣,這就可以說,光在遇到或通過不同物質的表達方式也不一樣。光即是粒子,也是能量,遇到不同物質會發生能量交換。在不同領域中,光在電磁學中是一種電磁波,在高能領域中是一種射線,在光譜學中是頻譜,是可以折返衍射的光線等等。

由此可見,光在空間運動中,與任何物質和能量一樣,並不會消失,而是會通過與任何物質發生能量交換,轉換成另一種形式或方式存在了


鄭繼文1


光的本質是電磁波,是電磁波傳播的媒介粒子,簡單說光就是一種能量。光在宇宙中傳播要麼被吸收,要麼就一直傳播下去。

而通常情況下,光在浩瀚的宇宙中不斷上演著被吸收然後再釋放的過程,最常見的就是電子通過能級躍遷釋放或者吸收光子,我們見到的大多數光線都是通過這種形式產生的,包括最常見的太陽光也是如此。

電子在原子核外具有不同的能級,最內層的能級稱為“基態”,位於基態的電子吸收光子後就可能會躍遷至激發態,這個過程也是可逆的。位於外層的電子釋放光子後就會躍遷至基態(或低能級)。如果電子吸收足夠多的光子(也就是能量)就會成為自由電子,也就是離子態,脫離了原子核的束縛。

光子就是這樣消失的。不過不少人或許有一個疑問,電子的躍遷為何會產生或者吸收光子?

這需要從最基本的微觀粒子來解釋,也就是量子的概念。萬物所在的空間其實是由最基本的量子構成的,也就是離散的量子。當這種量子空間受到激發後就會形成能量,以光子的形式釋放出去。也就是說,能量就是受到激發的高能量子,但這種高能量子形成一個封閉的系統時就形成了物質(質量),簡單講。能量的聚合形成質量,質量的離散就是能量。

所以,光子本身看起來很簡單,但它在宇宙中的形成以及傳播方式也透露出了最基本的大自然規律,而在研究世界本質的時候,往往離不開對光的研究!


宇宙探索


答:只要光子不被其他物質吸收,或者轉變為其他基本粒子的話,光子會在真空中一直傳播下去,永遠不會消失。


在量子力學中,光子的壽命是無限的,如果光子在真空中無阻礙傳播,它可以從宇宙的一端傳播到另外一端;只有當遇到其他物質時被吸收,或者與光子相碰後轉變為其他粒子,否則不會憑空消失。

一、被核外電子吸收

當一種原子的兩個能級之差,等於單個光子的能量,而且電子又處於較低的能級時,該原子就能吸收這個光子,對應電子躍遷到高能級狀態。

或者光子的能量較大,電子在吸收光子後成為自由電子,多餘的能量轉變為電子的動能,由愛因斯坦光電效應方程描述。

對於宏觀物體,內部存在大量的原子和電子,所以當一束光照射到物體上時,部分光子會被吸收或者反射,轉變量和物體的屬性有關。


二、轉變為其他基本粒子

根據愛因斯坦的質能方程,單個光子具有相對論質量。

但是單個光子並不會自發衰變為其他粒子,只有當兩個高能光子(伽馬射線)相碰,而且高能光子的相對論質量超過了電子的質量時,就有可能轉變為一對正負電子。

並且在碰撞前後,嚴格地滿足動量守恆和質能守恆,科學家已經在實驗室完成了這一轉變過程。

另外,從相對論時間膨脹效應的角度看,對於單個光子來說,它的時間是停止的,或許這也是光子壽命無限的原因之一。


在廣袤的宇宙中,遙遠天體發出的光子,只要不被星際空間中的氣體塵埃吸收,就可以傳播到無限遠。比如哈勃空間望遠鏡,就可以看到130億光年外的天體。


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艾伯史密斯


宇宙中的光子既是一種能量的載體,也是一種基本的粒子。在粒子的標準模型中,光子同電子一樣都是不可再分的,且光子是一種傳遞傳遞電磁作用力的媒介粒子。那麼,宇宙中的光子的最終的結局又是什麼呢?

原子模型

大部分的光子的產生與消失是一種逆反的過程

我們知道原子核外分佈著許多電子,這些電子是按一定的能級在原子核外。我們把距離原子核較近的電子軌道能級叫做E1,把距離原子核較遠的電子軌道能級叫做E2,原子在收到高能量的受激輻射後,高能級的電子向低能級的電子躍遷會伴隨著能量的釋放,這種向外釋放的能量就是光子。光子的能量為E1-E2。

而光子的消失大部分是被其他物質所吸收,像太陽這樣的恆星通過核聚變而通過光子向外發射能量,照射到宇宙塵埃及較大的星體時的光子被當作一份能量被吸收。從微觀尺度上來看,光子被吸收的過程是原子核的核外電子像高能級躍遷的過程。

電子能級躍遷

而被向黑洞這樣的天體捕獲的光子將完全被吸收,再也不會被通過電子的躍遷被髮射出來。因此,黑洞不往外發射光,我們看到的真實黑洞是漆黑一片的。

在太空中,理論上所用的空間都是真空的,如果光子不被其他天體及宇宙塵埃等等吸收,那麼光子將永遠地留在太空中遨遊,永遠不會消失。

黑洞捕獲光子

這裡補充一點,核外電子並不是受到激發後才會向外釋放光子,通常情況下,高於絕對零度的物質都會發生電子躍遷,並且向外釋放光子。但是這種光頻率較低,波長較長,也就是說能量比較低,可能不會被我們眼中直接看見。

人類利用光子的無線傳播來測距

哈勃望遠鏡觀察遙遠星系

我們知道,光是一種電磁波,人類利用電磁波的反射來進行物體間的測距,小到實際生活中兩個城市之間的距離,大到天體星球之間的距離,比如地月之間的距離。

阿波羅11號使用的激光角反射鏡測量地月

很早之前美國的阿波羅探月計劃中,美國人在月球的表面放置了一面比較大的鏡子,在地球上發射了一束脈衝激光,大概等待了2.5秒接收到了返回的激光信號。這算是人類利用光的無線傳播的最簡單有效的應用了。我們可以想象,如果讓一束激光不打中月球上去,讓它往深邃無窮的宇宙打去,那麼它會離我們無限遠去,變得越來越暗淡,直到消失在我們的眼中。但是,真空中的光子會一直傳播下去,永遠不會消失。


徐曉亞然


想象一輛汽車,悠哉悠哉地在高速公路上行駛,你會看到它慢慢消失在公路的盡頭;另一個人駕著一輛跑車,以每小時兩百公里的速度駛過這段公路,你會發現它很快就消失了;然後又來一個人,開著目前最快的實驗車Bloodhound,火箭動力,以1600公里/小時的速度掠過這段距離,你可能只看得見一個橙藍色的影子從你面前一閃而過。

現在有一個人開著一輛速度達每秒30萬公里的車駛過這段路面,你……所以光子並沒有消失,它只是飛到了你的視野之外,你看不到了而已。你打開手電筒,看到的不是光子,而是光子撞擊空氣中的塵埃和分子,散射出來的光線,換句話說,你看到的不是光,而是空氣分子和塵埃散射的效果。

光子沒有靜止質量,從誕生那一刻起,就一直以光速在飛行,所以我們是根本無法看到單個光子的,你能看到的,是它和其它物質的相互作用,也就是說,是光子撞到物質被吸收後,激發物質表面的電子重新發出的光子,進入你的眼睛後產生的電信號,在你大腦中的反應。

所以你現在可以和小夥伴們比賽扔東西了。一個小夥伴說,我可以把石頭扔到30米外,打中樹上那隻鳥;另一個說,我可以把手榴彈扔到30米外,炸飛那輛車。你說,切!這算什麼,我可以把東西直接扔到地球外。在小夥伴懷疑的目光中,你默默地掏出強光手電筒,然後……然後就是一陣殺豬般的慘叫了。

想想是不是很奇妙?我們個人其實也可以把東西“扔”出地球的,而且一秒多鍾就能扔到可望而不可及的月球上。如果全世界的人,晚上都舉著綠色的激光筆射向月球,會不會把月亮變成綠色的呢?當然,這是另一個問題了,但你不妨思考一下。

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根據愛因斯坦的質能方程E=mc2,光子具有能量且靜止質量為0,所以當以光速運動的光子可以認為其沒有質量,這也是為什麼光充滿整個空間,而沒有壓垮我們的原因。

光子作為波色子在傳播過程中,並不會發生碰撞,所以光子會持續傳播。

但是如果沒有持續光源提供能量,不斷產生光子的話,那麼光子會被各種物質吸收,比如植物的光合作用,就是吸收光子來為自身提供能量等等。





科學最客觀


綠葉雖小亦能吸收光子的能量,光合作用是她這片葉子的本能。弱弱地帶一句,co²也不可小覷哦。😷👌二氧化碳究竟在能量循環的過程中扮演了怎樣的角色呢?


酒邀月


一 如果撞到物質上,就是任何一種元素,任何一個原子上,原子中的電子就會吸收光子的能量,從低能態躍遷到高能態。所以從本質上講,光子就是原子之間傳遞能量的能量包,不是實體物質。

二 如果沒有遇到物質,光子就會在宇宙中一直運行下去,因為宇宙的膨脹速度超過光速,所以光不會跑到宇宙外面,永遠在宇宙之內運行。


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