本文将精确计算单个光量子(光子)的质量。 　　

　　

　　今天，任何科学成就的取得，都是因为站在巨人的肩膀上。 　　

　　

　　牛顿、法拉第、普朗克都是科学界的巨擘。 　　

　　

　　向他们致敬。 　　

　　

　　先介绍一些关于光的基础知识。 　　

　　

　　 　　

　　

　　万物靠太阳生长。太阳是一个巨大的火球，无时无刻不散发着光芒。从太阳获得光等于获得能量和光。有了能量，万物生长；地球上的水也形成了循环，瀑布飞流直下，江河长流。有了光，地球上的生物才能快乐地看到这个美丽的世界。电灯和蜡烛也能发出明亮的光。 　　

　　

　　那么光是一种什么物质呢？ 　　

　　

　　经过人类的不断探索，终于发现了很多关于光的知识。 　　

　　

　　光是一种非常非常小的粒子，具有挥发性。所以光具有波粒二象性。光既是粒子又是波。光的粒子性可以通过折射和反射表现出来。通过衍射和双缝干涉实验可以证明光是一种波。 　　

　　

　　 　　

　　

　　1901年，德国物理学家普朗克发现了热平衡条件下绝对黑体辐射谱的能量分布规律，与实验相符。这个定律是基于这样一个假设：物质发出和吸收的光具有不连续的特性，光是由有限的部分光量子发出或吸收的。这个光量子的能量E与光的振动频率F成正比，可以用下面的等式表示为： 　　

　　

　　e=HF 　　

　　

　　(H=h=6.6260701510^-34JS，h等于6.62607015乘以10的负34次方焦耳秒) 　　

　　

　　现在，普朗克的假设已经被无数的科学实验所证实。 　　

　　

　　光是由一个光量子组成的，简称光子。 　　

　　

　　 　　

　　

　　关于光速，经过历代科学家的努力，测得真空中的光速为299792458米/秒。 　　

　　

　　在三棱镜的折射下，阳光会分散成七种颜色：红、橙、黄、绿、青、紫。七种颜色的光的波长是不同的。太阳也发出红外线和紫外线。红外线的波长大于760nm(纳米)，紫外线的波长小于400nm。 　　

　　

　　在下面列出可见光的波长。 　　

　　

　　红光的波长为622纳米――760纳米。 　　

　　

　　橙色光的波长为597纳米――622纳米。 　　

　　

　　黄光的波长为577纳米――597纳米。 　　

　　

　　绿光的波长为492纳米――577纳米。 　　

　　

　　青色光的波长为450纳米――492纳米。 　　

　　

　　蓝光的波长为435纳米――450纳米。 　　

　　

　　紫光的波长是400纳米――435纳米。 　　

　　

　　1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线。x射线是一种电磁波，波长在0.001纳米到10纳米之间。医学上使用的X射线波长大约在0.001nm到0.1nm，穿透力很强，其光子能量比可见光大几万到几十万倍。 　　

　　

　　比X射线波长更短的是伽马射线，出现在宇宙尺度的恒星级天体爆炸过程中。伽马射线是波长在0.0001纳米到0.001纳米之间的电磁波。 　　

　　

　　比红外线波长更长的是无线电波，无线电波的波长在0.1mm(毫米)到3000m(米)之间。波长在0.1毫米到1米之间的电磁波也叫微波。 　　

　　

　　我认为太阳光、X射线、伽马射线、无线电波、可见光都是同一种光，这些射线中的光子在质量、形状、体积、速度上都是完全一样的。这些射线之间的差异是：它们的波长和频率是不同的。 　　

　　

　　然后讨论了光能与波长、频率和速度的关系。 　　

　　

　　紫外线是阳光中波长为400纳米至10纳米的射线。 　　

　　

　　以下是我从百度百科“紫外线”一项中查到的不同波长的紫外线(真空中)的能量。 　　

　　

　　长波紫外线 　　

　　

　　波长： ~ 315纳米 　　

　　

　　能量： 3.10电子伏~3.94电子伏 　　

　　

　　近紫外线 　　

　　

　　波长： 400纳米~ 300纳米 　　

　　

　　能量： 3.10电子伏~4.13电子伏 　　

　　

　　紫外线B 　　

　　

　　波长： 315纳米~ 280纳米 　　

　　

　　能量为： 3.94 eV~4.43 eV 　　

　　

　　中紫外线 　　

　　

　　波长： 300纳米~ 200纳米 　　

　　

　　能量： 4.13电子伏~6.20电子伏 　　

　　

　　短波紫外线 　　

　　

　　波长： 280纳米~ 100纳米 　　

　　

　　能量为： 4.43 eV~12.4 eV 　　

　　

　　极限多功能车 　　

波长: 200 nm～122 nm

　　

能量: 6.20 eV～10.2 eV

　　

真空紫外线

　　

波长: 200 nm～100 nm

　　

能量: 6.20 eV～12.4 eV

　　

浅紫外线

　　

波长: 100 nm～88 nm

　　

能量: 12.4 eV～14.1 eV

　　

超紫外线

　　

波长: 150 nm～10 nm

　　

能量: 8.28 eV～124 eV

　　

极紫外线

　　

波长: 121 nm～10 nm

　　

能量: 10.3 eV～124 eV

　　

eV是电子伏特，是能量单位，是一个电子经过一伏特的电位差加速后获得的动能。

　　

1eV=1.6021766208 J （焦耳）

　　

光的波长越短，能量越大；波长越长，能量越小。

　　

从上表中可以得知:

　　

波长是10nm的紫外线（紫外线a）的光子的能量是124eV，即198.6699×10^-19J （198.6699乘以10的负19次方焦耳）。

　　

波长是100nm的紫外线（紫外线b）的光子的能量是12.4eV，即19.86699×10^-19J （19.86699乘以10的负19次方焦耳）。

　　

波长是150nm的紫外线（紫外线c）的光子的能量是8.28eV，即13.266×10^-19J （13.266乘以10的负19次方焦耳）。

　　

波长是280nm的紫外线（紫外线d）的光子的能量是4.43eV，即7.0976×10^-19J （7.0976乘以10的负19次方焦耳）。

　　

　　

光的速度是一定的，每秒钟299792458米。速度除以波长等于频率。

　　

E= hf ， 能量等于普朗克常数乘以频率。能量与频率成正比。

　　

从上文的数据中可知，紫外线a的波长是紫外线b波长的十分之一，所以紫外线a的频率是紫外线b的频率的十倍，（相等的时间内）紫外线a的能量也是紫外线b能量的十倍。

　　

紫外线a的波长是紫外线c波长的十五分之一，所以紫外线a的频率是紫外线c的频率的十五倍。（198.6699÷13.266=14.97587≈15）

　　

紫外线a的能量是紫外线c能量的15倍。

　　

紫外线d的波长是紫外线c波长的1.86666倍，所以紫外线c的频率是紫外线d的1.86666倍。

　　

13.266÷7.0976=1.869≈1.86666

　　

所以紫外线c的能量是紫外线d能量的1.86666倍。

　　

接下来，重点来了。开始计算单独的一个光子的质量。

　　

普朗克能量公式E= hf （h是普朗克常数，f是频率）

　　

爱因斯坦也发明了一个能量公式E=m×c^2（能量等于质量乘以光速的平方）。我不知道爱因斯坦是如何证明这个公式的正确性的，我只知道动能定理是E=1/2 mv^2 （能量等于二分之一乘以质量乘以速度的平方），我知道这个关于能量、质量、速度关系的公式是全世界公认正确的，所以反证爱因斯坦的公式是错误的。

　　

根据能量公式E= hf （h是普朗克常数，f是频率），动能定理E=1/2 mv^2 （能量等于二分之一乘以质量乘以速度的平方，m表示光子的质量），知道了光的能量、频率、速度，就可以求出光的质量。

　　

下面来计算一下。

　　

波长是10nm的紫外线（紫外线a）的光子的能量是124eV，即198.6699×10^-19J 。

　　

光的速度是299792458米/秒。

　　

198.6699×10^-19J=1/2 ×m×

　　

（299792458m/s）^2

　　

（198.6699×10^-19焦耳等于二分之一乘以m，乘以299792458米/秒的平方 ）

　　

波长是100nm的紫外线（紫外线b）的光子的能量是12.4eV，即19.86699×10^-19J （19.86699乘以10的负19次方焦耳）。

　　

光的速度是299792458米/秒

　　

19.86699×10^-19J=1/2 ×m×

　　

（299792458m/s）^2

　　

（19.86699×10^-19焦耳等于二分之一乘以m，乘以299792458米/秒的平方 ）

　　

矛盾出现了。以上两个式子都是二分之一乘以光子的质量再乘以299792458米/秒的平方，得到的能量结果是不同的，这样计算出来的光子的质量也是不同的。

　　

为什么当我们用动能定理计算光子质量的时候会出现矛盾呢？

　　

因为虽然光子的速度都是相同的，每秒钟299792458米，但是波长不同的光线一秒钟在29972458米的距离内传播的光子数目是不同的，光线一秒钟在299792458米距离内传播的光子数目与光的频率在数量上相等。

　　

如波长是550纳米的绿色光的频率是5.4507719×10^14Hz （5.4507719乘以10的14次方赫兹）。则波长550纳米的绿色光一秒钟在299792458米距离内传播的光子数目是5.4507719×10^14（5.4507719乘以10的14次方）个。

　　

波长是10纳米的紫外线a的频率是2.99792458乘以10的16次方赫兹，它一秒钟在299792458米的距离内传播的光子数目就是2.99792458乘以10的16次方个。

　　

波长是280纳米的紫外线d的频率是1.07068735乘以10的15次方，那么它一秒钟在299792458米距离内传播的光子数目就是1.07068735乘以10的15次方个。

　　

所以在用动能定理计算光的能量的时候，二分之一乘以m，乘以299792458米/秒的平方，得到的是一个光子的动能，这时候再乘以光子的数目就得到了光子的总动能。

　　

所以新的公式出来了：

　　

光线在一秒钟内的的总动能等于光线的频率乘以一秒，再乘以单个光量子的能量。

　　

单个光量子的能量可以用动能定理求出来，即等于单个光子的质量与光的速度的平方的乘积的一半。

　　

公式：

　　

E=fT1/2 mv^2 （T=1秒）（E表示能量，f表示频率，时间T=1秒，m表示单个光子的质量，v表示光的速度）

　　

求光子的质量：

　　

由 E=fT1/2 mv^2 （T=1秒）

　　

得 E/f=T1/2 mv^2 （T=1秒）①

　　

普朗克公式 E=hf，所以E/f=h ②（能量除以频率等于普朗克常数）

　　

由① 、② 得

　　

h=T1/2 mv^2 （T=1秒）

　　

（h=6.62607015×10^－34JS ，v在这里等于光速299792458米/秒）

　　

将数据代入公式，

　　

6.62607015×10^-34焦耳秒 = 1秒 × 1/2 × m × （299792458米/秒）^2

　　

6.62607015×10^-34焦耳= 1/2 × m × （299792458米/秒）^2

　　

m表示单个光子质量，所以单个光子在1秒内产生的动能6.62607015×10^-34焦耳。

　　

6.62607015×10^-34焦耳 = 1/2 × m

　　

× 8.9875517873681764 × 10^16 米^2/秒^2

　　

13.2521403 × 10^-34焦耳 = m × 8.9875517873681764 × 10^16 米^2/秒^2

　　

m=1.47449946 × 10^-50 千克

　　

（ m等于1.47449946 乘以10的负50次方千克）

　　

到此，终于计算出了单个光子的质量是 1.47449946 乘以10的负50次方千克 。

　　

　　

总结：

　　

1.真空中的波长已知的一道光线在一秒的时间内传播的距离是299792458米，在299792458的距离内传播的光子数目与光的频率在数量上相等。

　　

每一个光量子的质量都是相等的，单个光量子的质量m=1.47449946 × 10^-50kg

　　

（1.47449946 乘以10的负50次方千克） 。

　　

2.单个光子在1秒内产生的动能是6.62607015×10^-34焦耳。

　　

光线在一秒钟内的的总动能等于光线的频率乘以一秒，再乘以单个光子的动能。

　　

公式：

　　

E=fT1/2 mv^2

　　

（T=1秒，E表示能量，f表示频率，时间T=1秒，m表示单个光子的质量，v表示光的速度）