未必孤独网 > 既然可见光是一种电磁波,那么是不是所有形式的发光最终都可以归结为光源内部原子、分子电荷分布的振荡?

既然可见光是一种电磁波,那么是不是所有形式的发光最终都可以归结为光源内部原子、分子电荷分布的振荡?

【易骏的回答(10票)】:

先说结论:

经典的电磁理论可以描述光辐射的传播,但没法正确描述光的吸收与发射过程。 因此用偶极近似可以计算辐射能,没有问题。

只对原子,分子采用量子化处理的半量子理论可以解释受激辐射,但是要描述自发辐射,必须用到全量子化的量子电动力学。

简单解释下:

1. 受激辐射:

半量子理论描述跃迁过程一般是用含时微扰去处理的。入射光场可视为一个周期性的电磁扰动,根据Fermi golden rule可以计算出受扰动后从初态到末态的跃迁概率。

如果电磁场波长

远大于原子尺度a, 这时候电磁场可看成是空间均匀场,也就是电偶极近似,

这时候扰动可以通过电子电偶极矩算符

得出,最终从初态到末态总的跃迁概率将为

如果考虑真空环境,那么态密度

,真空场强

代到上边的式子去求解辐射功率

, 你会发现这其实就是一个电偶极辐射,和经典理论得到的结果一致。

2. 自发辐射:

即使是半量子化理论也没法解释自发辐射,实际自发辐射过程也是自然界少数几个必须用全量子化处理的过程之一,虽然叼炸天的爱因斯坦早在建立量子电动力学之前就通过黑体辐射解释了自发辐射过程,但这只是一个唯象的处理方式。

在半量子理论中,只有粒子是量子化的,电磁场还是经典场。粒子的基态和激发态是相互正交的,那么就禁止了自发辐射过程的发生。 要理解这个过程,必须把电磁场也量子化,这就得用到量子电动力学了。

这时候。真空将存在零点能

(在半量子理论中,零点能为0)

也就是说即使在真空下,由于零点能的存在,激发态将受到扰动而跃迁回基态,这个过程就是自发辐射过程,根源于真空涨落。

写太多估计也没人看,楼主如果感兴趣,可以找本量子光学相关的书看看,Elements of Quantum Optics这本就不错。

【马晨的回答(2票)】:

这个模型相当于把整个发光部分等效成一个震荡的偶极子,忽略了发光过程中可能出现的各种相互作用和能量变化,而把这些因素全部用偶极子的参数代替,自然不能解释所有的现象。而能够解释哪些现象,主要看你希望怎样解释。

关于自发辐射和受激辐射,要看你需要怎样的解释。这个模型在解释常见环境(如常温、常见宏观物体)的辐射时往往效果比较好,但是在比较极端的条件下,例如考虑单个原子,或者在高温下往往就不那么有用,或者不能够自圆其说了。要解释各种条件下的辐射问题,基本上都要牵扯至少非相对论量子力学。

总的来说,这个模型还是一个近似模型。毕竟对于带电体,偶极近似也只是二阶。但是由于容易理解,同时有一定可扩展性,所以常常拿来作为教学的例子,并不一定说他能够解释多少的现象。

【nanhu的回答(0票)】:

谢邀。

不能用经典电磁学解释。不然也不会搞出让众多物理学家都不愿意接受的量子力学了。

【方辰的回答(2票)】:

谢邀。前面的答主已经把我想说的都说了。虽然从经典理论中就可以知道电荷的振荡可以发光,但是这样一来无法解释为什么原子光谱都是分立的,二来无法解释为什么原子轨道可以那么稳定,而不是由于不断发光导致轨道半径逐渐缩小。所以说电荷分布振荡的理论只能算解释了发光现象的一部分。

然而我又想,即便如此,似乎原子内的发光过程确实都有伴随电荷密度分布的转移,因为不同能量的原子轨道电荷分布都是不一样的。一个自然的问题就是,存不存在电荷分布完全不变,但还是会发光的情况?所以就有了下面的反例构造。

发出单个光子在我看来有两个条件:1. 两个轨道能量不同,2. 两个轨道宇称不同,因为光的角动量总是1。所以如果把一个电子束缚在一个半径确定的某一平面内的圆形轨道上,那么这个电子的能量就是

,其中L是角动量,R是轨道半径。显然这个系统的能级是

, 对应的波函数为

,而宇称就是n的奇偶。同时每个轨道的电荷分布完全一样,都是均匀分布。在这个系统中任何一个由n+1-轨道到n-轨道的跃迁都伴随一个能量是

的光子的发射。

【大野喵渣的回答(1票)】:

不知道当年我回答的哪个诡异问题被改成了这个诡异问题。

如果题主只纠结于原子分子的话答案是:no

因为宇宙早期还没形成原子和分子的时候,就已经有光了!

如果题主纠结于“某个粒子的震动”的话,答案依然是no

因为量子场论会暗示有几个粒子联合产生一个光子的可能性,而且初末态粒子还真不一定是相同的,那从何谈起一个粒子“发光”呢?几个粒子发完光把自己都搞没了。

如果最广泛的说,那么光当然是粒子发出的!除非宇宙一开始就有光,那种是上帝发出的。

————————————————————————

印象中在群论课上见过类似的理论。依据电偶极辐射来分析原子发光的对称群和光谱什么的。当时的逻辑应该是电偶极辐射的概率远大于更高的辐射。

这样的理论严格来说肯定是有问题的,但不排除在某些场合是很好的近似。

【杨晓堃的回答(0票)】:

百度文库越来越不能信了。

【fool的回答(0票)】:

当然不是,至少还有同步辐射。

【子云天的回答(12票)】:

原子跃迁发出的光能否利用经典电磁理论来解释?

不可以。。

这个电偶极辐射模型常见于经典电动力学的教材中,主要应用于天线辐射相关方面。经典电动力学中解释原子发光的理论其实还有一部分,楼主没有给出来,就是假设原子是一个振子,然后求出原子的电偶极子的形式,然后代到这个电偶极辐射模型中来解释原子发光。这个模型基本上只能非常粗糙地定性解释原子发光,粗糙到什么地步呢,只能解释原子可以发光,当然也可以吸收光,然后就没什么用处了。

经典电动力学在解释光与原子相互作用的问题上,不仅无法解释实验现象,还有很大的自身矛盾。

1. 电子绕着原子核转,那么就会不停地有电磁辐射发出,从而损失能量,电子应该用不了多久就会掉到原子核里,与质子结合成中子,然后全世界应该都是中子星才对,显然不是这样。

2. 原子发光的一个最显著特征就是具有明显的谱线特征。特定原子只能发射和吸收特定波长的光,也就是所原子的发光谱线是具有离散特征。但是按照经典电动力学的发光模型(电偶极子随频率的变化是连续的,ref to 教材),原子的发光谱线应该是连续的,原子可以发出和吸收任意频率的光。这显然与实验不符。

3. 经典电动力学可以非常粗糙地解释受激吸收、受激辐射。这类似于振子的强迫振荡,光波驱动偶极子振荡,处于较高能量,就是受激吸收;在较高能量振荡,放出同频率的光波,就是受激辐射。至于自发辐射,完全是经典理论的禁区,没有真空场的引入,根本别想解释,连定性的都没门。

结论:在原子与光场的相互作用方面,经典电动力学的这个理论只能解释原子可以发光,可以吸光,剩下的唯一价值就是通过一系列复杂的计算折磨学生,然后深刻体会经典理论走到了穷途末路。当然,经典的偶极辐射模型在无线电领域有着广泛的应用,但是这就是宏观领域了,经典理论在宏观世界不是一向很厉害嘛。

根据麦克斯韦电磁场理论,既然光是一种电磁波,那么是不是所有形式的发光最终都可以归结为光源内部原子、分子电荷分布的振荡?

也能这么说吧。

经典辐射理论分两步解释这个问题,首先假设原子是一个振子,求解它的电偶极子的形式;然后将其带入电偶极辐射模型,求解出辐射场的形式。其实一般来说,我们只关心原子可以辐射出什么频率的光,相对强度是多少。这样其实求解出第一步就可以了,我们看看电偶极子中有哪些频率成分以及相对强度是多少就行了。

半经典理论(其实就是本科的量子力学,原子量子化,电磁场还是经典的),首先把原子量子化,能级、定态什么的就都有了,然后依据微扰论来求解电偶极子的形式;将其带入经典的电偶极模型,求解出辐射场的形式。一般来说,不用考虑第二步。

这两个理论求解出的电偶极子的形式一个最大的不同就是,经典理论的频率分布是连续的,半经典理论的频率分布是离散的。

所以两者的共同之处就是,都要求解电偶极子,而电偶极子的形式就可以理解为原子内部的电荷分布的振荡,只不过经典理论认为振荡频率是连续分布的,半经典理论认为是离散分布的。

结论:在麦克斯韦电磁理论的前提下(电磁场是经典的场,而不是光子),原子发光可以归结为原子内部电荷分布的振荡,只不过这个说法有点不太舒服。在量子力学的框架下,说电荷分布的振荡似乎会有误导性。

P.S. 全量子理论(原子和电磁场都量子化)可以解释自发辐射。对于很多应用来说,半经典理论已经足够用了,只不过需要唯象地引入衰减项(自发辐射率和退相干率)。只有那些涉及到电磁场量子特性的问题,比如纠缠光,才需要用到全量子理论。

后面那两张PPT简直是莫名其妙,原子处在定态确实是不能辐射光,但是你不让它处于定态不就行了,比如让它与光相互作用,它肯定会从定态演化到别的态。原子的态不是一成不变的,而是随着外界条件的不同,会有不同的演化过程。自发辐射不过是处于激发态的原子与真空场相互作用的结果而已。在经典与半经典理论中,电磁场是用麦克斯韦的方程描述的,没有真空场,那么当原子被激发到激发态后,如果不与外界相互作用,确实是永远不会发光。但是实际的实验现象根本不是这样,只有把电磁场量子化,用全量子理论才能解释自发辐射,也就是原子不可能不被扰动,真空场永远存在且无处不再,总要和真空场相互作用。

还有那个“混合态”,真是长见识了,简直是不忍睹视,可以鉴定这个PPT的作者在故意误认子弟。

P.S. 这种高度专业的知识千万不要百度啊,哪怕wiki也行。最好看看书,书上有明确的解释。

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