关灯后光子去哪里了

事实上我们知道，原子的吸收光谱是在连续光谱中形成的几条特定的暗线，说得简单点就是每种原子只能吸收几种特定质量（频率）的光子，电灯发出的光可以看作一段连续光谱，照射在物体上只有几种特定质量（频率）的光子被物质吸收，而大量光子不会被物质吸收会不断地在物质间来回反射。照此推理，由于电灯发出的连续光中只有极少数被吸收而大部分光子会在物质间不断反射，所以关灯后房间内的亮度会立即降低(因为有部分光子被吸收了)，但不会完全变黑，而实际上房间会在瞬间变黑，说明电灯发出的连续光完全被物质吸收了。那么，非特定质量（频率）的光子是怎样被吸收的？被谁吸收了？

原子光谱的种类。从原子的角度来看，原子光谱有两种，分别是明线光谱（原子中的电子受到激发后回到原来的轨道"裂变"发光形成的光谱，简称发射光谱）和暗线光谱（原子中的电子吸收光子形成的光谱，简称吸收光谱）。

上图是氢原子的发射光谱（也叫明线光谱），是氢原子中的电子从离原子核较远的轨道上回到离核较近的轨道上时"裂变"放出光子形成的，原子发射光谱的特点就是任一种原子只能发出几条特定质量（频率）的光子，而太阳光的连续光谱则包括了从红光到紫光质量（频率）连续变化的光子。

上图是不同原子的吸收光谱图，吸收光谱（暗线光谱）是连续的光经过一群原子后被原子中的电子吸收了特定质量的光子而形成的暗线光谱，其特点是在一片连续的光谱区域中有几条明显的暗线，暗线的存在表明只有特定质量的光子被大量吸收了，其它质量的光子没有被吸收或者说被吸收的很少，也说明原子中的电子对光子的吸收是有选择性的。

上图是太阳光的吸收光谱，从图中可以看出太阳光被大量原子吸收后会出现特定的暗线，但是暗线只占了太阳光谱的很少一部分。通常情况下原子发射光谱中的暗线和原子吸收光谱中的明线总是一一对应的，即明线光谱中的每一条亮线都和暗线光谱中的一条暗线相互对应。这里就产生了两个问题：既然原子的发射光谱仅仅只是发出特定几条亮线，那么光谱中连续的大量的其它质量的光子是谁发出的？或者说既然原子的吸收光谱仅仅只吸收了特定质量的光子形成特定几条暗线，那么光谱中连续的大量的其它质量的光子被谁吸收了？换一个角度来考虑，既然明线光谱中原子只发出特定质量的几种光子，暗线光谱中原子也只吸收几种特定质量的光子，那么其他质量的光子就没有必要存在了，为什么太阳发出的光是连续的呢？这些大量的不被吸收的光子是怎样产生的又去哪里了？

（二）电子内部结构特点。前面我们研究电子内部结构时指出：①电子具有特定的内部结构，可以吸收光子也可以放出光子并且这一过程可以无限次重复，电子质量并非一成不变的而是时刻处于动态变化之中的。②与原子核 "质量幻数"相似，电子也存在若干个不连续的结合能极大值--"质量幻数"，每个"质量幻数"对应于电子在原子中的一条稳定轨道，电子在原子中不同稳定轨道上的质量是不同的，电子离核越近质量越小、离核越远质量越大。③电子离原子核越近质量越小、内部各部分结合的越紧密、"饥饿程度"越高因而其结合光子的能力越强；电子离核越远质量越大、内部各部分结合的就越松散、"饥饿程度"越低、其结合光子的能力就越弱。④当电子与原子核在静电引力作用下沿着直线相互靠近时，电子会通过"裂变"放出光子获得反冲来增大绕核速度，保证其不落入原子核中；电子在远离原子核时会迅速吸收光子增加质量为下一次"裂变"做好物质储备。⑤电子质量不能无限增大，电子存在"临界质量"，大于"临界质量"的电子都是极不稳定的，将在极短时间内裂变放出光子并重新生成能够稳定存在的质量较小的电子。

如果用横坐标表示电子的质量，用纵坐标表示电子内部的结合力，则我们可以大致画出电子质量内部结合力草图。从图中可以看出，电子离原子核越近质量越小、内部结合力越大、吸收光子的能量越强，电子离原子核越远质量越大、内部结合力越小、吸收光子的能量越弱，当电子吸收了质量足够大的光子后会处于"临界质量"，此时电子不能继续吸收光子增大质量了，处于"临界质量"的光子在外界微小扰动作用下电子又会"裂变"放出光子减小质量。电子可以吸收光子也可以"裂变"放出光子来改变自身的质量和运动状态，这是深刻认识电子在原子中的运动最重要的一点，由于电子的质量占原子质量的千分之一以下，所以通常情况下电子质量的变化对整个原子质量的影响很小，以目前的实验装备水平我们应该能够观测到这一现象。

原子光谱中暗线的条数。在电子质量--结合力曲线图中，电子从R9轨道上回到R8轨道上只有一种方式，此时电子可以放出一种光子；电子从R9轨道上回到R7轨道上可以放出三种光子，其一是从R9轨道上回到R7轨道上并"裂变"放出一种光子，其二是从R9轨道上回到R8轨道上"裂变"放出一种光子，其三是从R8轨道上回到R7轨道上并"裂变"放出一种光子。同理，电子从从R9轨道上回到R6轨道上可以"裂变"放出5种光子、回到R5轨道上可以"裂变"放出7种光子，余者以此类推，这里不再讨论。

同一质量的电子对不同能量的光子吸收率不同。根据电子质量--结合力曲线，很多人认为电子与光子的作用规律非常简单：因为电子离原子核越近其"饥饿程度"越高、结合光子的能力也越强，所以必然是离原子核越近的电子吸收光子的几率越大、离原子核越远的电子吸收光子的几率越小。实际上这是一种错误观点，考虑不同质量的电子对光子的吸收率还要综合考虑电子和光子的结合力。一般有：离原子核越近的电子越容易吸收能量大的光子、离原子核越远的电子越容易吸收能量小的光子。也就是说，原子中的内层电子比较容易吸收X射线等大质量(高能量)的光子（也可以认为内层电子不会吸收可见光、红外线等小质量的光子），而原子中的外层电子则较容易吸收可见光、红外线等能量较小的光子（也可以认为外层电子不会吸收X射线等大质量的光子）。

内层电子较容易吸收大质量光子。从微观角度来看，越靠近原子核的电子只有吸收较大能量的光子才有可能跃迁到离原子核更远的轨道上（举一个更容易理解的例子，卫星发射时只有重量更大、推力更强的火箭才能把卫星送到更高的地方，人造卫星离地表越近摆脱地心引力越不容易、离地表越远越容易摆脱地心引力），而离原子核越远的电子吸收能量较小的光子就可以跃迁到离原子核更远的轨道上。由此造成：离原子核较近的电子吸收质量大（能量高）的光子的几率大、吸收质量小（能量小）的光子的几率小，离原子核较远的电子吸收质量小（能量小）的光子的几率大、吸收质量大（能量大）的光子的几率小。对于离核最近的电子来讲，此时它的质量是最小的、"饥饿程度"也是最高的、当然结合光子的能力是最强的，但由于电子离原子核最近受到原子核静电引力"撕扯"作用也最强，这个"撕扯"作用总是试图使电子发生"形变"甚至是"裂变"放出光子，而电子只有内部结合力足够大才能避免被原子核静电引力"撕裂"，不同质量的电子内部结合力不同，正是由于电子存在若干个内部结合力极大的"质量幻数"才能在原子核中形成若干条稳定轨道。假设离核最近的最内层电子"质量幻数"为10000、离核稍远的第二条轨道上电子质量数为10200，那么离核最近的电子只有吸收质量数为200的光子才能跃迁到离核稍远的第二条轨道上，因为此时电子质量虽然增大了、"饥饿程度"也变低了、电子的内部结合力也变小了，但是质量数为10200的电子仍然处于"质量幻数"位置，内部结合力比相邻质量的电子要大得多，所以电子可以吸收质量数为200的光子。而质量小于200的光子则几乎不会被电子吸收，比如电子吸收了一个质量为53的光子就会形成质量为10053的新的电子，此时电子内部结合力迅速变小因而会在原子核静电引力"撕扯"作用迅速"裂变"放出质量为53的光子重新生成质量为10000("质量幻数")的稳定电子，因为这个过程时间极短也可以认为原子中的最内层电子不会吸收质量为53的光子。如果有一个质量为213的光子与离核最近的电子作用，并且这个作用是使电子远离原子核的，则电子会迅速吸收这个质量为213的光子形成质量为10213的电子并跃迁到离原子核较远的第二条轨道上，我们知道质量数为10213的电子内部结合力是极小的、与之相邻的只有质量数为10200的电子内部结合力才是极大的("质量幻数")，所以电子吸收了一个质量数为213的光子最终"裂变"的结果是放出质量为13的光子，体现了电子对光子的"选择性吸收"或者部分吸收。同理，电子吸收了一个质量数为209的光子最终"裂变"的结果是放出质量为9的光子。因为不是本章讨论的主要内容，这里不再展开，看不明白的可以多看几遍。

外层电子较容易吸收小质量光子。同样的道理，电子离原子核越远质量越大、"饥饿程度"也越低、当然结合光子的能力也是较弱的，此时电子离原子核较远但仍然会受到原子核静电引力"撕扯"作用，由于电子离原子核较远其质量本身就比较大（相对于内层电子而言）所以它只会吸收小质量的光子(如果电子吸收大质量光子后质量就会超过"临界质量"，而质量超过"临界质量"的电子本身就是极不稳定的、更何况电子时刻受到原子核静电引力"撕扯"作用，所以超过"临界质量"的电子在原子中是不可能存在的，只有远离原子核静电引力"撕扯"作用才可能形成超过"临界质量"的电子)，假设离核最近的最内层电子"质量幻数"为10000，电子的"临界质量"是10800，则电子肯定不会吸收质量数超过800的光子，因为电子吸收质量数超过8800的光子其质量将超过"临界质量"而超过"临界质量"质量的电子都是不稳定的，更何况电子在原子中时刻受到原子核静电引力"撕扯"作用，所以原子中外层电子只能吸收质量数小于800的光子。外层电子吸收了质量足够大的光子后能够被电离(产生光电效应)，比如原子中的外层电子吸收紫外线后能够被电离，爱因斯坦提出光子假说解释光效应：认为只要光子的能量足够大就可以使原子外层电子电离，如紫外线能够使金属产生光电效应，而X射线、γ射线比紫外线能量更高，但是X射线、γ射线却不能使金属产生光电效应，原因正如我们分析的那样：虽然X射线、γ射线能量更大、可以把电子推到远离原子核的地方，但是由于它们和外层电子的结合并不紧密(外层电子本身质量就很大，只能吸收质量较小的光子而不能吸收X射线、γ射线这类质量较大的光子)，所以X射线、γ射线的光电效应并不比紫外线强。一般来说，原子中的外层电子对可见光、红外线的吸收率是较高的，但是对于能量极小的无线电波和能量极大的X射线、γ射线吸收率都很小。

如果我们以横坐标代表电子的质量，用纵坐标代表电子内部结合力，则我们可以画出不同质量电子对不同光子的吸收率曲线图，图中以蓝色小球代表电子，以黄色小球代表光子（当然了这个比例可能不正确，但是不影响我们对电子吸收光子的理解），蓝色小球代表着电子处于"质量幻数"位置，与此对应的电子对某一特定质量光子的吸收率是最大的，当光子质量继续增大时电子对光子的吸收率迅速减小、当光子质量减小时电子对光子的吸收率也将迅速减小（图中绿色虚线反映了光子质量增大或减小时和电子的结合力迅速减小）。

从上图中我们看到，当连续光照射到原子上时，质量大的光子主要被原子中的内层电子吸收、外层电子几乎不吸收，质量小的光子主要被原子中的外层电子吸收、内层电子几乎不吸收，比如不同质量（频率）的光子对水的穿透性不同，如核潜艇通信用长波而不用短波、也不用可见光，这是因为可见光能量虽然较大，但是原子中外层电子对可见光的吸收率比较大，所以可见光穿透几十米的海水后就会被完全吸收，而无线电波光子质量小，原子中无论内层电子还是外层电子对于这种小质量的光子的吸收率都是很低的（远远低于对可见光的吸收率）。同样，在光电效应中，只有能量（质量）大于某一阀值的光子才能使原子中的外层电子电离，但并不是说光子能量越大越容易使外层电子电离，从同一电子与不同光子的质量结合力曲线上看，外层电子对某一特定质量光子的结合力是最大的，当光子质量继续增大时，电子与光子的结合力迅速减小，比如紫色光可以使电子电离、紫外线也能使电子电离，但是我们用X射线、γ射线这类高能光子照射原子时，由于外层电子和X射线、γ射线结合力很小，所以X射线、γ射线尽管能量高但却不能使外层电子电离。同样也能够解释红外线的热效应比可见光强，这是因为原子中外层电子和红外线的结合力强于可见光的缘故。

光在介质中的传播速度取决于光子与电子的相互作用时间。我们知道，不同色光（质量不同、能量不同的光子）在同一介质中的传播速度不同，通常情况下质量大（能量大）的光子在介质中的传播速度小而质量小（能量小）的光子在介质中的传播速度大。从微观角度来讲，光子在介质中传播会多次遇到介质中的原子，光子与原子作用(结合) --分离、传播一段极小距离后再与原子作用(结合)--分离，这一过程不断重复，光子在介质中的传播速度主要取决于光子与原子的相互作用时间长短，光子与原子作用时间越长则光子在介质中的传播速度越小。打一个简单的比方，在一条长度为1000公里的公路上公交车和出租车都以每小时50公里的速度行驶（这个速度相当于光在真空中的传播速度为C），这条公路上每2公里设一个车站（车站的密度相当于介质中原子的密度），因为公交车上车下车人数很多、需要时间较长，设公交车在每站的停留时间为6分钟，出租车在每站的停留时间为1分钟，公交车和出租车都是每站必停，则走完这1000公里公路出租车所用时间少于公交车所用时间，也就是说出租车的平均车速大于公交车的平均车速。光子和原子的作用时间指光子与原子相遇并与原子相互作用到原子最终重新放出光子所需要的时间。我们知道，对于处于原子核静电引力束缚状态下的电子而言，它既可能受到远离原子核的扰动作用也可能受到靠近原子核的扰动作用，光子的能量越大对电子的扰动作用越明显，因而电子和原子的相互作用时间也越长。打个不恰当的比喻，若设电子在离原子核500个长度单位的轨道上绕核运动，与能量是80个能量单位的光子相遇，如果光子对电子的扰动作用是指向原子核的，则电子就会在这个作用下开始靠近原子核最终电子运动到离核470个长度单位的轨道上，此时由于原子核静电引力撕裂作用大于电子内部的凝聚力，电子就会"裂变"放出光子质量为80个能量单位的光子并获得反冲回到离核较远的原来的轨道上。若同一时刻电子与能量是150个能量单位的光子相遇，并且光子对电子的扰动作用同样是指向原子核的，则电子就会在这个作用下开始靠近原子核最终电子运动到离核420个长度单位的轨道上，电子在这里"裂变"重新放出光子并回到原来的轨道上。这里我们看到，80个能量单位的光子使电子运动了30个长度单位（加上电子回到原来的轨道上则电子运动了60个长度单位），150个能量单位的光子使电子运动了80个长度单位（加上电子回到原来的轨道上则电子运动了160个长度单位），显然能量越大的光子对电子的扰动作用越大、和电子的作用时间越长，也就是说能量越大的光子和介质中原子的作用时间越长。不同质量（能量）的光子在介质中始终都以光速C传播，质量大（能量）的光子和介质中的原子相互作用时间较长，因而质量大（能量）的光子在介质中的传播速度较小。

光子与电子作用概率。如果我们把原子近似看作一个球体，由于原子核只占原子空间的极小一部分，所以光子穿过原子时与原子核作用的概率极小，也就是说当一个光子穿过原子核时光子与原子核相互作用是一个小概率事件。同时，我们知道原子核外通常有一个或者若干个电子在围绕原子核旋转，离原子核越近的电子质量越小其运动区域也越小，离原子核越远的电子质量越大其运动区域也越大（一般情况下可以认为电子以稳定轨道为核心，在半径为R+r和R-r的球壳空间内运动）。当一个光子穿过原子时，由于外层电子的运动区域较大所以光子与外层电子相遇的概率大于与内层电子相遇的概率，而光子与原子内层电子相遇作用的概率又大于光子与原子核相遇的概率。总的来看，光子与外层电子作用的几率大于光子与内层电子作用的几率大于光子与原子核作用的几率。

对光子而言，光子同样有质量和内部结合力。如果我们用横坐标表示光子的质量，用纵坐标表示光子内部结合力，则我们同样可以画出光子质量结合力草图。我们认为：质量较小的光子其内部结合力较大，光子也可以吸收其它物质增大质量，比如光子可以吸收若干个引力子增大质量；与电子内部结合力类似，质量极大的光子由于内部结合力较小在与其它粒子作用时会被其它粒子"掠夺"一部分质量，比如在康普顿散射实验中能量较高的X射线光子被物质散射后波长变长（能量变小，实际上是质量有损失），这个实验从一定程度上证明了大质量的光子内部结合力较弱，会被其他粒子"掠夺"一部分质量。

在本节的最后，需要明确指出的是，原子的吸收光谱虽然呈现出特定的几条暗线，但并不是说其它质量的光子就完全不能够被电子吸收，只不过吸收率低一些罢了。原子的发射光谱总有几条线特别亮并不是说原子完全不会发出其它质量的光子，只不过原子发出其它质量的光子的概率小一些罢了。

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關鍵字: 吸收 能量 连续光谱