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请问光吸收是做功还是传热?

2021-05-21知识

给 @Triborg 的答案补充一些和题目不太相关的细节(俗称跑题)。

量子体系下,「做功」这个概念其实并不简单。

量子体系里,平均内能的变化可以被拆成两部分:

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

在第一部分 p_n\sum_n dE_n:=\bar d W 里,各个能级的概率分布没有变化,而是能级与能级本身的间隔发生了改变。这与经典热力学里活塞气体体积变化做功是类似的,故而将这部分视作为系统做功。在第二部分 E_n \sum_n dp_n:=\bar d Q ,能级没变,但概率分布却被改变了,熵也因此改变,故而对应的是传热的过程。因此,我们重新得到了热力学第一定律 dE = \bar d W + \bar d Q .

所以「光吸收是做功还是传热」取决于这个过程本身的细节。物质吸收光的过程有很多种,不能一概而论。

接下来是 跑题的部分

之前的这些还是挺直观的,直到我们意识到一件事:量子力学好像和测量关系匪浅啊。

考虑一个不含时的量子系统。从此刻开始到时刻 \tau 结束,我们给这个系统施加一些外部影响(改变磁场、打一束光,等等),一直持续到某一时刻 \tau 结束。那,这个外部影响对这个系统做的功是多少?

这还不简单, W = \Delta E 啊。

没错。但是要确定 \Delta E ,我们需要知道施加外力前的能量和施加外力后的能量。这涉及到两次对量子系统的测量:

  • 第一次测量在外力之前,我们测得系统未受外力时的能级为 E_n^0 ,其概率为 p_n
  • 第二次测量在施加外力之后,系统的哈密尔顿量变成 H = H_0 + H_\tau ,故而我们测得的能级为 E_m^\tau ,概率为 p_m^\tau 。
  • 这意味着开始和结束时测得的能量都是随机变量,自然地,该外力对系统所做的功 W = E_m^\tau - E_n^0 也是随机变量,而它的概率分布为:

    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,这其实还是W = \Delta E ,但是被扩展到了量子力学体系下,且包括了测量对系统的影响。外力对系统的影响包含在了时间演化算符中。第一次测量使系统处在 |n \rangle 态下,因此第二次测量会被第一次测量的结果所影响,所以我们需要跃迁概率 p_{mn} ——其实就是条件概率啦。

    这个就是目前被广泛接受的,量子力学体系下的做功定义了。所以说,

    量子体系下,「做功」这个概念其实并不简单。