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量子力学能解释可见光、电磁波与热辐射等问题吗?

归档日期:11-28       文本归类:发射功率      文章编辑:爱尚语录

  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。要强调一点,化学反应与电磁无关,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。

  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。

  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可见光与电磁波与热辐射等问题,但是需要找到相应的有效理论才行。

  1. 麦克斯韦方程属于经典物理范畴,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。这也是人们常说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,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。

  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。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。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,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。

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