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光速是最快的,为什么光没有在空气中摩擦生热后燃烧?

2025-01-08心灵

物质升温的本质是分子平均动能的升高。摩擦会升高分子的平均动能,因为机械能转换成了分子动能;可见光也可能升高物质分子的平均动能,但看情况(对于空气不行)。

展开说说....

首先,相邻原子的电子们不会处于相同的量子状态,或者说,没有两个电子可以占据同一个量子态,即 泡利不相容原理 。所以,当原子靠近时,电子的能级会分裂并调整。看下图,当两个原子相互远离时,如左边图,它们各自的电子能级是独立的。图中每个原子的电子(红圈表示原子核,蓝点表示电子)对应一个能级(水平线表示能量)。此时,原子1和原子2的电子能量没有相互影响。

但是,当两个原子逐渐靠近时,如右图,由于泡利不相容原理,两个原子的电子不能占据相同的能量水平。因此,原子1和原子2的电子能级开始分裂成两个不同的能量水平。这导致了两个原子靠近时能级的分裂,即:原子1的电子能级上升(标红的能级),原子2的电子能级下降。

解释下泡利不相容原理

这种能级的分裂确保了两个电子不会处于同一个量子态上,即 在一个多电子系统中,两个电子不能具有完全相同的量子数。

好了,明白了这一点, 我们再来看光子的吸收和传输 ,这跟题目中提到的光导致的」燃烧「有关,燃烧这个词有点猛烈,其实就是光产生的热,这个热量的生成,本质是 光子能量是否足够引起电子的跃迁。 这点需要能带理论来解释。

当大量的原子聚集在一起形成固体时,原子的电子能级不再是单一的离散能级,而是形成了一系列连续的能级,也就是能带。就像下图一样。

在左图中,多个原子彼此分开时,每个原子的电子能级是独立的。每个原子都有特定的能级(如图下方的水平线所示),这些能级互不相干扰。单独的每个原子能量结构相对简单。但是,当这些原子紧密聚集成固体材料中的晶格时,电子能级被压缩,这些离散的能级分裂成了大量非常接近的能级,最终形成了连续的能带。

右图展示了这种连续能带的形成过程。在晶格中,能级分裂得非常密集,以至于我们可以把它们看作是一系列的能带。其中上面的带为导带,下面的带为价带,两者之间存在一个被称为带隙的区域,这个区域内没有电子能存在。价带中电子能量较低,电子若能获得足够能量,可以跃迁到更高能量的导带,进而参与导电。

能带理论

带隙决定了材料的光学和电学性质。如果光子的能量足够大,它可以使电子从价带跃迁到导带。这一过程会导致光子被吸收,光子能量被转移给电子。然而,如果光子的能量不足以让电子跨越带隙,光子就不会被吸收,而是直接通过材料。

空气的带隙很大,远大于固体材料,比如氧气的电子从价带跃迁到导带大约在 12-13 eV(电子伏特)左右的能量,氮气分子则在 14 eV 左右 [1] ,远大于常见的固体带隙。

生活中我们晒被子,被子会热;冬天晒太阳,身体会热,就是光子的能量导致固体的电子从价带跃迁到导带,吸收了能量。

所以,回到题目,不是光没有」摩擦「空气,而是空气带隙太粗了,光子没被吸收,换个固体物质大概率就吸收上了,自然也就热了。

参考

  1. ^ https://zhuanlan.zhihu.com/p/533431359