既然可見光是一種電磁波,那熱輻射、躍遷等常見的發光機理與電磁現象有什麼關係?

DanielCasio

我覺得題主對量子力學和電磁理論十分陌生。我們說的麥克斯韋電磁理論是不含量子效應的,所以麥克斯韋電磁理論是不能解釋光子的發射(輻射)和吸收的。而量子力學是低能量子理論,它也不能解釋(嚴格說是“徹底解釋”)光子的動力學的。

光子的輻射是需要用量子化的麥克斯韋理論來解釋,即量子電動力學。這個理論是高能物理學裡最精確的理論之一。這裡面我要強調一點,題主說化學反應與電磁無關,我要說題主是“孤陋寡聞”!化學反應恰恰是電磁現象!從物理學理論上講,量子電動力學的低能有效理論就可以解釋化學反應的實質,並且可以解釋為什麼存在副反應。從化學反應涉及到電子轉移這一事實,也能看出化學反應是一種電磁現象。熱輻射說到底是還是電磁現象,統計物理裡面用電磁場的統計規律來解釋黑體輻射,從而給出熱輻射的電磁理論解釋。這些常識是但凡接受過一些系統的物理學教育就一定知道的!我覺得題主應該加強自身學習,不要一說話就錯誤百出,讓人覺得題主什麼都不懂。因此,題主覺得存在的矛盾,其實都是因為題主的知識還不夠所導致的“錯覺”。

我不想花時間去解釋太多,因為要講清楚這些東西需要花至少一年時間去學習量子力學、電動力學和量子場論以及低能有效理論。作為科普來說,我覺得能講清楚一件事情就行了:量子力學和經典電動力學是量子電動力學的兩個近似理論。其他的都可以從量子電動力學裡面給出。經典電動力學,即“電磁學”或者“電動力學”,它不涉及電磁波和電磁場的量子效應,也不涉及到光子-電子轉換,因此無法解釋熱輻射和化學反應背後的物理實質。而量子力學是不涉及相對論的非相對論理論,因此無法解釋電磁場這種具有相對論性的物理客體。物理學家用了近二十年才將經典電動力學和量子力學融合起來,這就是量子電動力學。量子電動力學可以解釋題主所說的一切問題,但是需要找到相應的有效理論才行。

【當我看到題主那一大段敘述最後一句話的時候,我真的覺得懷疑題主高中化學是否真的學過。化學反應涉及到的電子轉移,這不就是電荷參與化學反應的重要證據嗎?化學課上將物質結構那套理論,其實完全是照抄量子力學的——或者說是完全是按照量子力學的思路來構造的。電子既有電荷又有量子效應,因此構造量子電動力學勢在必然!】


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先澄清幾個基本概念。

1. 麥克斯韋方程屬於經典物理範疇,或者說樓主所指的電磁學屬於經典物理部分。麥克斯韋根據方程推導出電磁波的存在,同時發現電磁波在真空中的傳播速度等於光速,由此推斷出光也是一種電磁波。後期赫茲等人的實驗才得以證實。但這個理解層次並沒有到量子力學。

2. 光是無數個粒子——光子組成,說明光具有粒子性。光子的基本行為,可以用量子力學來描述,比如原子的能級躍遷,會發生能量釋放,釋放出來的能量是離散的,也就是一個個光子的形式。原子輻射出來的光都是離散能量的,對於受激輻射出來的激光,甚至是單一能量/頻率的;

3. 熱輻射指的是物體受熱輻射出電磁波,出來的電磁波一般是連續波譜,但會集中在某個波段範圍。

4. 無論是麥克斯韋預言的電磁波,原子能級躍遷輻射出來的光,和熱輻射出來的電磁波,本質都是一樣的,全部是電磁波,也是光。

5.狹義上的光,通常說的是可見光,即我們能看到的紅橙黃綠藍靛紫七類顏色的光。廣義上的光,就是電磁波。例如無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線,都屬於電磁波,也都是光。這也是我們常說X光檢查、伽馬光刀等等。人們心目中的電磁波,絕大部分傾向於微波和無線電波,我們日常生活中wifi、手機信號、衛星導航、無線廣播電視等都是這個波段的電磁波,它們也是光。

好了,理解了以上5點,就可以回答清楚這個問題了。光是電磁波,電磁波也是光。說明光子具有一定的波動性,比如它的頻率、波長、波速等性質,或者說,電磁波的能量量子就是光子。只是,不同電磁波段,涉及的光子頻率是不同的。我們看一眼電磁波譜就知道,原子能級躍遷產生的光子頻率,大部分在x射線、伽馬射線波段,能量相對比較高。熱輻射方面,主要出來的是紅外線,能量相對要低,波長比可見光要長。我們日常生活中各種電磁和通訊設備用到的電磁波,波長更加長,屬於微波甚至無線電波波段,某些無線電波的波長甚至可以達到數千米量級。因此,原子躍遷出來的光,就是電磁輻射的一種。輻射出來的電磁波,其本質就是光子,都可以用量子力學來描述。

進一步,我們還可以理解場和粒子的概念,這就需要用到量子場論的基本概念。舉列來說,我們說的電磁波,實際上就是電磁場在空間上的週期變化造成的,或者說場的不均勻分佈和動態變化造成的結果。那麼場的變化,在量子力學框架下,就會產生所謂的“激發”,激發出來的粒子就是場對應的基本粒子。電磁場激發態下的就是光子。當然,其他的粒子,也都是各種場的激發態。


飛賊克斯和康德馬特

光子對光源沒有反作用力。光速是太陽中粒子衰變造成,速度瞬間達到,。恆星才能正常軌跡運行,看到它們。光是粒子質量愛因斯坦巳算出,所以會衰竭(dM/dt=c),我們看的星光不是光達到地球,而是人腦通過眼(量子力學)利用微粒子發現的(也通過暗物質),它的速度超過光速,看到它們就是此刻的它。愛因斯坦無法才研究神(意識)。在現有物理學中量子理論引導人類向前。


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