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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？

电磁波,量子,量子力学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？

发布时间：2019-02-08加入收藏来源：互联网点击：

问题补充： 根据麦克斯韦电磁理论，可见光也是一种电磁波。上述表明，我们日常生活中所说的“光”，本质上与Wi-Fi信号一样，也是一种电磁现象。
众所周知，生活中常见光源的发光机理通常都属于诸如热辐射、跃迁、化学反应等这一类的微观的量子现象，与电和磁没有任何关系。在物理学中，量子力学与电磁学属于两个相互独立的体系，并用来求解不同种类的物理现象。
可是，这似乎就矛盾了！
为什么量子现象也可以辐射出电磁场？
热辐射、跃迁、化学反应等量子现象与电荷、电磁场又有什么关系呢？
物理上如何解释这个矛盾？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

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！】

回答于 2019-09-11 08:43:50

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。

回答于 2019-09-11 08:43:50

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