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既然可見光是一種電磁波,那麼是不是所有形式的發光最終都可以歸結為光源內部原子、分子電荷分布的振蕩?

原子躍遷發出的光能否利用經典電磁理論來解釋?


不可以


這個電偶極輻射模型常見於經典電動力學的教材中,主要應用於天線輻射。經典電動力學中解釋原子發光的理論其實還有一部分,樓主沒有給出來,就是假設原子是一個振子,然後求出原子的電偶極子的形式,然後代到這個電偶極輻射模型中來解釋原子發光。這個模型基本上只能非常粗糙地定性解釋原子發光,粗糙到什麼地步呢,只能解釋原子可以發光,當然也可以吸收光,然後就沒什麼用處了。

經典電動力學在解釋原子問題上,不僅無法解釋實驗現象,還有很大的自身矛盾。


1. 電子繞著原子核轉,那麼就會不停地有電磁輻射發出,從而損失能量,電子應該用不了多久就會掉到原子核里,與質子結合成中子,然後全世界應該都是中子星才對,顯然不是這樣。


2. 原子發光的一個最顯著特徵就是具有明顯的譜線特徵。特定原子只能發射和吸收特定波長的光,也就是所原子的發光譜線是具有離散特徵。但是按照經典電動力學的發光模型(電偶極子隨頻率的變化是連續的,ref to 教材),原子的發光譜線應該是連續的,原子可以發出和吸收任意頻率的光。這顯然是不符合的。


3. 經典電動力學可以非常粗糙地解釋受激吸收、受激輻射。前兩者類似於振子的強迫振蕩,光波驅動偶極子振蕩,處於較高能量,就是受激吸收;在較高能量振蕩,放出同頻率的光波,就是受激輻射。至於自發輻射,完全是經典理論的禁區,沒有真空場的引入,根本別想解釋,連定性的都沒門。

結論:在原子與光場的相互作用方面,經典電動力學的這個理論只能解釋原子可以發光,可以吸光,剩下的唯一價值就是通過一系列複雜的計算折磨學生,然後深刻體會經典理論走到了窮途末路。當然,經典的偶極輻射模型在無線電領域有著廣泛的應用,但是這就是宏觀領域了,經典理論在宏觀世界不是一向很厲害嘛。


根據麥克斯韋電磁場理論,既然光是一種電磁波,那麼是不是所有形式的發光最終都可以歸結為光源內部原子、分子電荷分布的振蕩?


也能這麼說吧


經典輻射理論分兩步解釋這個問題,首先假設原子是一個振子,求解它的電偶極子的形式;然後將其帶入電偶極輻射模型,求解出輻射場的形式。其實在一般來說,我們只關心原子可以輻射出什麼頻率的光,相對強度是多少。這樣其實求解出第一步就可以了,我們看看電偶極子中有哪些頻率成分以及相對強度是多少就行了。


半經典理論(其實就是本科的量子力學,原子量子化,電磁場還是經典的),首先把原子量子化,能級、定態、算符什麼的就都有了,然偶依據微擾論來求解電偶極子的形式;將其帶入經典的電偶極模型,求解出輻射場的形式;一般來說,不用考慮第二部。

這兩個理論求接觸的電偶極子的形式一個最大的不同就是,經典理論的頻率分布是連續的,半經典理論的頻率分布是離散的。


所以兩者的共同之處就是,都要求解電偶極子,而電偶極子的形式就可以理解為原子內部的電荷分布的振蕩,只不過經典理論認為振蕩頻率是連續分布的,半經典理論認為是離散分布的。


結論:在麥克斯韋電磁理論的前提下(電磁場是經典的場,而不是光子),原子發光可以歸結為原子內部電荷分布的振蕩,只不過這個說法有點不太舒服。在量子力學的框架下,說電荷分布的振蕩似乎會有誤導性。


後面那兩張PPT簡直是莫名其妙,原子處在定態確實是不能輻射光,但是你不讓它處於定態不就行了,比如讓它與光相互作用,它肯定會從定態演化到別的態。原子的態不是一成不變的,而是隨著外界條件的不同,會有不同的演化過程。自發輻射不過是處於激發態的原子與真空場相互作用的結果而已。在經典與半經典理論中,電磁場是用麥克斯韋的方程描述的,沒有真空場,那麼當原子被激發的激發態後,如果不與外界相互作用,確實是永遠不會發光。但是實際的實驗現象根本不是這樣,只有把電磁場量子化,用全量子理論才能解釋自發輻射,也就是原子不可能不被擾動那個,真空場永遠存在且無處不再,總要和真空場相互作用。


還有那個「混合態」,真是長見識了,簡直是不忍睹視,可以鑒定這個PPT的作者在故意誤認子弟。

P.S. 這種高度專業的知識千萬不要百度啊,哪怕wiki也行。最好看看書,書上有明確的解釋。


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