當前位置: 華文星空 > 心靈

光速是最快的,為什麽光沒有在空氣中摩擦生熱後燃燒?

2025-01-08心靈

物質升溫的本質是分子平均動能的升高。摩擦會升高分子的平均動能,因為機械能轉換成了分子動能;可見光也可能升高物質分子的平均動能,但看情況(對於空氣不行)。

展開說說....

首先,相鄰原子的電子們不會處於相同的量子狀態,或者說,沒有兩個電子可以占據同一個量子態,即 包立不相容原理 。所以,當原子靠近時,電子的能階會分裂並調整。看下圖,當兩個原子相互遠離時,如左邊圖,它們各自的電子能階是獨立的。圖中每個原子的電子(紅圈表示原子核,藍點表示電子)對應一個能階(水平線表示能量)。此時,原子1和原子2的電子能量沒有相互影響。

但是,當兩個原子逐漸靠近時,如右圖,由於包立不相容原理,兩個原子的電子不能占據相同的能量水平。因此,原子1和原子2的電子能階開始分裂成兩個不同的能量水平。這導致了兩個原子靠近時能階的分裂,即:原子1的電子能階上升(標紅的能階),原子2的電子能階下降。

解釋下包立不相容原理

這種能階的分裂確保了兩個電子不會處於同一個量子態上,即 在一個多電子系統中,兩個電子不能具有完全相同的量子數。

好了,明白了這一點, 我們再來看光子的吸收和傳輸 ,這跟題目中提到的光導致的」燃燒「有關,燃燒這個詞有點猛烈,其實就是光產生的熱,這個熱量的生成,本質是 光子能量是否足夠引起電子的躍遷。 這點需要能帶理論來解釋。

當大量的原子聚集在一起形成固體時,原子的電子能階不再是單一的離散能階,而是形成了一系列連續的能階,也就是能帶。就像下圖一樣。

在左圖中,多個原子彼此分開時,每個原子的電子能階是獨立的。每個原子都有特定的能階(如圖下方的水平線所示),這些能階互不相幹擾。單獨的每個原子能量結構相對簡單。但是,當這些原子緊密聚整合固體材料中的晶格時,電子能階被壓縮,這些離散的能階分裂成了大量非常接近的能階,最終形成了連續的能帶。

右圖展示了這種連續能帶的形成過程。在晶格中,能階分裂得非常密集,以至於我們可以把它們看作是一系列的能帶。其中上面的帶為導帶,下面的帶為價帶,兩者之間存在一個被稱為帶隙的區域,這個區域內沒有電子能存在。價帶中電子能量較低,電子若能獲得足夠能量,可以躍遷到更高能量的導帶,進而參與導電。

能帶理論

帶隙決定了材料的光學和電學性質。如果光子的能量足夠大,它可以使電子從價帶躍遷到導帶。這一過程會導致光子被吸收,光子能量被轉移給電子。然而,如果光子的能量不足以讓電子跨越帶隙,光子就不會被吸收,而是直接透過材料。

空氣的帶隙很大,遠大於固體材料,比如氧氣的電子從價帶躍遷到導帶大約在 12-13 eV(電子伏特)左右的能量,氮氣分子則在 14 eV 左右 [1] ,遠大於常見的固體帶隙。

生活中我們曬被子,被子會熱;冬天曬太陽,身體會熱,就是光子的能量導致固體的電子從價帶躍遷到導帶,吸收了能量。

所以,回到題目,不是光沒有」摩擦「空氣,而是空氣帶隙太粗了,光子沒被吸收,換個固體物質大概率就吸收上了,自然也就熱了。

參考

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