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請問光吸收是做功還是傳熱?

2021-05-21知識

給 @Triborg 的答案補充一些和題目不太相關的細節(俗稱跑題)。

量子體系下,「做功」這個概念其實並不簡單。

量子體系裏,平均內能的變化可以被拆成兩部份:

E:=\langle E \rangle=\sum_n p_n E_n\Rightarrow dE = p_n\sum_n dE_n + E_n \sum_n dp_n

在第一部份 p_n\sum_n dE_n:=\bar d W 裏,各個能階的機率分布沒有變化,而是能階與能階本身的間隔發生了改變。這與經典熱力學裏活塞瓦斯體積變化做功是類似的,故而將這部份視作為系統做功。在第二部份 E_n \sum_n dp_n:=\bar d Q ,能階沒變,但機率分布卻被改變了,熵也因此改變,故而對應的是傳熱的過程。因此,我們重新得到了熱力學第一定律 dE = \bar d W + \bar d Q .

所以「光吸收是做功還是傳熱」取決於這個過程本身的細節。物質吸收光的過程有很多種,不能一概而論。

接下來是 跑題的部份

之前的這些還是挺直觀的,直到我們意識到一件事:量子力學好像和測量關系匪淺啊。

考慮一個不含時的量子系統。從此刻開始到時刻 \tau 結束,我們給這個系統施加一些外部影響(改變磁場、打一束光,等等),一直持續到某一時刻 \tau 結束。那,這個外部影響對這個系統做的功是多少?

這還不簡單, W = \Delta E 啊。

沒錯。但是要確定 \Delta E ,我們需要知道施加外力前的能量和施加外力後的能量。這涉及到兩次對量子系統的測量:

  • 第一次測量在外力之前,我們測得系統未受外力時的能階為 E_n^0 ,其機率為 p_n
  • 第二次測量在施加外力之後,系統的哈密爾頓量變成 H = H_0 + H_\tau ,故而我們測得的能階為 E_m^\tau ,機率為 p_m^\tau 。
  • 這意味著開始和結束時測得的能量都是隨機變量,自然地,該外力對系統所做的功 W = E_m^\tau - E_n^0 也是隨機變量,而它的機率分布為:

    P(W) = \sum_{mn} \delta(W - \Delta ^{\tau 0}_{mn}) p_{mn}p_n, \begin{cases} \Delta ^{\tau 0}_{mn} = E^\tau_m - E^0_n\\ p_{mn} =|\langle{m}\vert U_\tau\vert{n}\rangle|^2\end{cases}

    嗯,這其實還是W = \Delta E ,但是被擴充套件到了量子力學體系下,且包括了測量對系統的影響。外力對系統的影響包含在了時間演化算符中。第一次測量使系統處在 |n \rangle 態下,因此第二次測量會被第一次測量的結果所影響,所以我們需要躍遷機率 p_{mn} ——其實就是條件機率啦。

    這個就是目前被廣泛接受的,量子力學體系下的做功定義了。所以說,

    量子體系下,「做功」這個概念其實並不簡單。