03.03 既然可见光是一种电磁波,那热辐射、跃迁等常见的发光机理与电磁现象有什么关系?

DanielCasio


先澄清几个基本概念。

1. 麦克斯韦方程属于经典物理范畴,或者说楼主所指的电磁学属于经典物理部分。麦克斯韦根据方程推导出电磁波的存在,同时发现电磁波在真空中的传播速度等于光速,由此推断出光也是一种电磁波。后期赫兹等人的实验才得以证实。但这个理解层次并没有到量子力学。

2. 光是无数个粒子——光子组成,说明光具有粒子性。光子的基本行为,可以用量子力学来描述,比如原子的能级跃迁,会发生能量释放,释放出来的能量是离散的,也就是一个个光子的形式。原子辐射出来的光都是离散能量的,对于受激辐射出来的激光,甚至是单一能量/频率的;

3. 热辐射指的是物体受热辐射出电磁波,出来的电磁波一般是连续波谱,但会集中在某个波段范围。

4. 无论是麦克斯韦预言的电磁波,原子能级跃迁辐射出来的光,和热辐射出来的电磁波,本质都是一样的,全部是电磁波,也是光。

5.狭义上的光,通常说的是可见光,即我们能看到的红橙黄绿蓝靛紫七类颜色的光。广义上的光,就是电磁波。例如无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线,都属于电磁波,也都是光。这也是我们常说X光检查、伽马光刀等等。人们心目中的电磁波,绝大部分倾向于微波和无线电波,我们日常生活中wifi、手机信号、卫星导航、无线广播电视等都是这个波段的电磁波,它们也是光。

好了,理解了以上5点,就可以回答清楚这个问题了。光是电磁波,电磁波也是光。说明光子具有一定的波动性,比如它的频率、波长、波速等性质,或者说,电磁波的能量量子就是光子。只是,不同电磁波段,涉及的光子频率是不同的。我们看一眼电磁波谱就知道,原子能级跃迁产生的光子频率,大部分在x射线、伽马射线波段,能量相对比较高。热辐射方面,主要出来的是红外线,能量相对要低,波长比可见光要长。我们日常生活中各种电磁和通讯设备用到的电磁波,波长更加长,属于微波甚至无线电波波段,某些无线电波的波长甚至可以达到数千米量级。因此,原子跃迁出来的光,就是电磁辐射的一种。辐射出来的电磁波,其本质就是光子,都可以用量子力学来描述。

进一步,我们还可以理解场和粒子的概念,这就需要用到量子场论的基本概念。举列来说,我们说的电磁波,实际上就是电磁场在空间上的周期变化造成的,或者说场的不均匀分布和动态变化造成的结果。那么场的变化,在量子力学框架下,就会产生所谓的“激发”,激发出来的粒子就是场对应的基本粒子。电磁场激发态下的就是光子。当然,其他的粒子,也都是各种场的激发态。


飞贼克斯和康德马特


我觉得题主对量子力学和电磁理论十分陌生。我们说的麦克斯韦电磁理论是不含量子效应的,所以麦克斯韦电磁理论是不能解释光子的发射(辐射)和吸收的。而量子力学是低能量子理论,它也不能解释(严格说是“彻底解释”)光子的动力学的。

光子的辐射是需要用量子化的麦克斯韦理论来解释,即量子电动力学。这个理论是高能物理学里最精确的理论之一。这里面我要强调一点,题主说化学反应与电磁无关,我要说题主是“孤陋寡闻”!化学反应恰恰是电磁现象!从物理学理论上讲,量子电动力学的低能有效理论就可以解释化学反应的实质,并且可以解释为什么存在副反应。从化学反应涉及到电子转移这一事实,也能看出化学反应是一种电磁现象。热辐射说到底是还是电磁现象,统计物理里面用电磁场的统计规律来解释黑体辐射,从而给出热辐射的电磁理论解释。这些常识是但凡接受过一些系统的物理学教育就一定知道的!我觉得题主应该加强自身学习,不要一说话就错误百出,让人觉得题主什么都不懂。因此,题主觉得存在的矛盾,其实都是因为题主的知识还不够所导致的“错觉”。

我不想花时间去解释太多,因为要讲清楚这些东西需要花至少一年时间去学习量子力学、电动力学和量子场论以及低能有效理论。作为科普来说,我觉得能讲清楚一件事情就行了:量子力学和经典电动力学是量子电动力学的两个近似理论。其他的都可以从量子电动力学里面给出。经典电动力学,即“电磁学”或者“电动力学”,它不涉及电磁波和电磁场的量子效应,也不涉及到光子-电子转换,因此无法解释热辐射和化学反应背后的物理实质。而量子力学是不涉及相对论的非相对论理论,因此无法解释电磁场这种具有相对论性的物理客体。物理学家用了近二十年才将经典电动力学和量子力学融合起来,这就是量子电动力学。量子电动力学可以解释题主所说的一切问题,但是需要找到相应的有效理论才行。

【当我看到题主那一大段叙述最后一句话的时候,我真的觉得怀疑题主高中化学是否真的学过。化学反应涉及到的电子转移,这不就是电荷参与化学反应的重要证据吗?化学课上将物质结构那套理论,其实完全是照抄量子力学的——或者说是完全是按照量子力学的思路来构造的。电子既有电荷又有量子效应,因此构造量子电动力学势在必然!】


科学联盟


光子对光源没有反作用力。光速是太阳中粒子衰变造成,速度瞬间达到,。恒星才能正常轨迹运行,看到它们。光是粒子质量爱因斯坦巳算出,所以会衰竭(dM/dt=c),我们看的星光不是光达到地球,而是人脑通过眼(量子力学)利用微粒子发现的(也通过暗物质),它的速度超过光速,看到它们就是此刻的它。爱因斯坦无法才研究神(意识)。在现有物理学中量子理论引导人类向前。


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