關燈後光子去哪裡了

事實上我們知道，原子的吸收光譜是在連續光譜中形成的幾條特定的暗線，說得簡單點就是每種原子只能吸收幾種特定質量（頻率）的光子，電燈發出的光可以看作一段連續光譜，照射在物體上只有幾種特定質量（頻率）的光子被物質吸收，而大量光子不會被物質吸收會不斷地在物質間來回反射。照此推理，由於電燈發出的連續光中只有極少數被吸收而大部分光子會在物質間不斷反射，所以關燈後房間內的亮度會立即降低(因為有部分光子被吸收了)，但不會完全變黑，而實際上房間會在瞬間變黑，說明電燈發出的連續光完全被物質吸收了。那麼，非特定質量（頻率）的光子是怎樣被吸收的？被誰吸收了？

原子光譜的種類。從原子的角度來看，原子光譜有兩種，分別是明線光譜（原子中的電子受到激發後回到原來的軌道"裂變"發光形成的光譜，簡稱發射光譜）和暗線光譜（原子中的電子吸收光子形成的光譜，簡稱吸收光譜）。

上圖是氫原子的發射光譜（也叫明線光譜），是氫原子中的電子從離原子核較遠的軌道上回到離核較近的軌道上時"裂變"放出光子形成的，原子發射光譜的特點就是任一種原子只能發出幾條特定質量（頻率）的光子，而太陽光的連續光譜則包括了從紅光到紫光質量（頻率）連續變化的光子。

上圖是不同原子的吸收光譜圖，吸收光譜（暗線光譜）是連續的光經過一群原子後被原子中的電子吸收了特定質量的光子而形成的暗線光譜，其特點是在一片連續的光譜區域中有幾條明顯的暗線，暗線的存在表明只有特定質量的光子被大量吸收了，其它質量的光子沒有被吸收或者說被吸收的很少，也說明原子中的電子對光子的吸收是有選擇性的。

上圖是太陽光的吸收光譜，從圖中可以看出太陽光被大量原子吸收後會出現特定的暗線，但是暗線只佔了太陽光譜的很少一部分。通常情況下原子發射光譜中的暗線和原子吸收光譜中的明線總是一一對應的，即明線光譜中的每一條亮線都和暗線光譜中的一條暗線相互對應。這裡就產生了兩個問題：既然原子的發射光譜僅僅只是發出特定幾條亮線，那麼光譜中連續的大量的其它質量的光子是誰發出的？或者說既然原子的吸收光譜僅僅只吸收了特定質量的光子形成特定幾條暗線，那麼光譜中連續的大量的其它質量的光子被誰吸收了？換一個角度來考慮，既然明線光譜中原子只發出特定質量的幾種光子，暗線光譜中原子也只吸收幾種特定質量的光子，那麼其他質量的光子就沒有必要存在了，為什麼太陽發出的光是連續的呢？這些大量的不被吸收的光子是怎樣產生的又去哪裡了？

（二）電子內部結構特點。前面我們研究電子內部結構時指出：①電子具有特定的內部結構，可以吸收光子也可以放出光子並且這一過程可以無限次重複，電子質量並非一成不變的而是時刻處於動態變化之中的。②與原子核 "質量幻數"相似，電子也存在若干個不連續的結合能極大值--"質量幻數"，每個"質量幻數"對應於電子在原子中的一條穩定軌道，電子在原子中不同穩定軌道上的質量是不同的，電子離核越近質量越小、離核越遠質量越大。③電子離原子核越近質量越小、內部各部分結合的越緊密、"飢餓程度"越高因而其結合光子的能力越強；電子離核越遠質量越大、內部各部分結合的就越鬆散、"飢餓程度"越低、其結合光子的能力就越弱。④當電子與原子核在靜電引力作用下沿著直線相互靠近時，電子會通過"裂變"放出光子獲得反衝來增大繞核速度，保證其不落入原子核中；電子在遠離原子核時會迅速吸收光子增加質量為下一次"裂變"做好物質儲備。⑤電子質量不能無限增大，電子存在"臨界質量"，大於"臨界質量"的電子都是極不穩定的，將在極短時間內裂變放出光子並重新生成能夠穩定存在的質量較小的電子。

如果用橫座標表示電子的質量，用縱座標表示電子內部的結合力，則我們可以大致畫出電子質量內部結合力草圖。從圖中可以看出，電子離原子核越近質量越小、內部結合力越大、吸收光子的能量越強，電子離原子核越遠質量越大、內部結合力越小、吸收光子的能量越弱，當電子吸收了質量足夠大的光子後會處於"臨界質量"，此時電子不能繼續吸收光子增大質量了，處於"臨界質量"的光子在外界微小擾動作用下電子又會"裂變"放出光子減小質量。電子可以吸收光子也可以"裂變"放出光子來改變自身的質量和運動狀態，這是深刻認識電子在原子中的運動最重要的一點，由於電子的質量佔原子質量的千分之一以下，所以通常情況下電子質量的變化對整個原子質量的影響很小，以目前的實驗裝備水平我們應該能夠觀測到這一現象。

原子光譜中暗線的條數。在電子質量--結合力曲線圖中，電子從R9軌道上回到R8軌道上只有一種方式，此時電子可以放出一種光子；電子從R9軌道上回到R7軌道上可以放出三種光子，其一是從R9軌道上回到R7軌道上並"裂變"放出一種光子，其二是從R9軌道上回到R8軌道上"裂變"放出一種光子，其三是從R8軌道上回到R7軌道上並"裂變"放出一種光子。同理，電子從從R9軌道上回到R6軌道上可以"裂變"放出5種光子、回到R5軌道上可以"裂變"放出7種光子，餘者以此類推，這裡不再討論。

同一質量的電子對不同能量的光子吸收率不同。根據電子質量--結合力曲線，很多人認為電子與光子的作用規律非常簡單：因為電子離原子核越近其"飢餓程度"越高、結合光子的能力也越強，所以必然是離原子核越近的電子吸收光子的幾率越大、離原子核越遠的電子吸收光子的幾率越小。實際上這是一種錯誤觀點，考慮不同質量的電子對光子的吸收率還要綜合考慮電子和光子的結合力。一般有：離原子核越近的電子越容易吸收能量大的光子、離原子核越遠的電子越容易吸收能量小的光子。也就是說，原子中的內層電子比較容易吸收X射線等大質量(高能量)的光子（也可以認為內層電子不會吸收可見光、紅外線等小質量的光子），而原子中的外層電子則較容易吸收可見光、紅外線等能量較小的光子（也可以認為外層電子不會吸收X射線等大質量的光子）。

內層電子較容易吸收大質量光子。從微觀角度來看，越靠近原子核的電子只有吸收較大能量的光子才有可能躍遷到離原子核更遠的軌道上（舉一個更容易理解的例子，衛星發射時只有重量更大、推力更強的火箭才能把衛星送到更高的地方，人造衛星離地表越近擺脫地心引力越不容易、離地表越遠越容易擺脫地心引力），而離原子核越遠的電子吸收能量較小的光子就可以躍遷到離原子核更遠的軌道上。由此造成：離原子核較近的電子吸收質量大（能量高）的光子的幾率大、吸收質量小（能量小）的光子的幾率小，離原子核較遠的電子吸收質量小（能量小）的光子的幾率大、吸收質量大（能量大）的光子的幾率小。對於離核最近的電子來講，此時它的質量是最小的、"飢餓程度"也是最高的、當然結合光子的能力是最強的，但由於電子離原子核最近受到原子核靜電引力"撕扯"作用也最強，這個"撕扯"作用總是試圖使電子發生"形變"甚至是"裂變"放出光子，而電子只有內部結合力足夠大才能避免被原子核靜電引力"撕裂"，不同質量的電子內部結合力不同，正是由於電子存在若干個內部結合力極大的"質量幻數"才能在原子核中形成若干條穩定軌道。假設離核最近的最內層電子"質量幻數"為10000、離核稍遠的第二條軌道上電子質量數為10200，那麼離核最近的電子只有吸收質量數為200的光子才能躍遷到離核稍遠的第二條軌道上，因為此時電子質量雖然增大了、"飢餓程度"也變低了、電子的內部結合力也變小了，但是質量數為10200的電子仍然處於"質量幻數"位置，內部結合力比相鄰質量的電子要大得多，所以電子可以吸收質量數為200的光子。而質量小於200的光子則幾乎不會被電子吸收，比如電子吸收了一個質量為53的光子就會形成質量為10053的新的電子，此時電子內部結合力迅速變小因而會在原子核靜電引力"撕扯"作用迅速"裂變"放出質量為53的光子重新生成質量為10000("質量幻數")的穩定電子，因為這個過程時間極短也可以認為原子中的最內層電子不會吸收質量為53的光子。如果有一個質量為213的光子與離核最近的電子作用，並且這個作用是使電子遠離原子核的，則電子會迅速吸收這個質量為213的光子形成質量為10213的電子並躍遷到離原子核較遠的第二條軌道上，我們知道質量數為10213的電子內部結合力是極小的、與之相鄰的只有質量數為10200的電子內部結合力才是極大的("質量幻數")，所以電子吸收了一個質量數為213的光子最終"裂變"的結果是放出質量為13的光子，體現了電子對光子的"選擇性吸收"或者部分吸收。同理，電子吸收了一個質量數為209的光子最終"裂變"的結果是放出質量為9的光子。因為不是本章討論的主要內容，這裡不再展開，看不明白的可以多看幾遍。

外層電子較容易吸收小質量光子。同樣的道理，電子離原子核越遠質量越大、"飢餓程度"也越低、當然結合光子的能力也是較弱的，此時電子離原子核較遠但仍然會受到原子核靜電引力"撕扯"作用，由於電子離原子核較遠其質量本身就比較大（相對於內層電子而言）所以它只會吸收小質量的光子(如果電子吸收大質量光子後質量就會超過"臨界質量"，而質量超過"臨界質量"的電子本身就是極不穩定的、更何況電子時刻受到原子核靜電引力"撕扯"作用，所以超過"臨界質量"的電子在原子中是不可能存在的，只有遠離原子核靜電引力"撕扯"作用才可能形成超過"臨界質量"的電子)，假設離核最近的最內層電子"質量幻數"為10000，電子的"臨界質量"是10800，則電子肯定不會吸收質量數超過800的光子，因為電子吸收質量數超過8800的光子其質量將超過"臨界質量"而超過"臨界質量"質量的電子都是不穩定的，更何況電子在原子中時刻受到原子核靜電引力"撕扯"作用，所以原子中外層電子只能吸收質量數小於800的光子。外層電子吸收了質量足夠大的光子後能夠被電離(產生光電效應)，比如原子中的外層電子吸收紫外線後能夠被電離，愛因斯坦提出光子假說解釋光效應：認為只要光子的能量足夠大就可以使原子外層電子電離，如紫外線能夠使金屬產生光電效應，而X射線、γ射線比紫外線能量更高，但是X射線、γ射線卻不能使金屬產生光電效應，原因正如我們分析的那樣：雖然X射線、γ射線能量更大、可以把電子推到遠離原子核的地方，但是由於它們和外層電子的結合並不緊密(外層電子本身質量就很大，只能吸收質量較小的光子而不能吸收X射線、γ射線這類質量較大的光子)，所以X射線、γ射線的光電效應並不比紫外線強。一般來說，原子中的外層電子對可見光、紅外線的吸收率是較高的，但是對於能量極小的無線電波和能量極大的X射線、γ射線吸收率都很小。

如果我們以橫座標代表電子的質量，用縱座標代表電子內部結合力，則我們可以畫出不同質量電子對不同光子的吸收率曲線圖，圖中以藍色小球代表電子，以黃色小球代表光子（當然了這個比例可能不正確，但是不影響我們對電子吸收光子的理解），藍色小球代表著電子處於"質量幻數"位置，與此對應的電子對某一特定質量光子的吸收率是最大的，當光子質量繼續增大時電子對光子的吸收率迅速減小、當光子質量減小時電子對光子的吸收率也將迅速減小（圖中綠色虛線反映了光子質量增大或減小時和電子的結合力迅速減小）。

從上圖中我們看到，當連續光照射到原子上時，質量大的光子主要被原子中的內層電子吸收、外層電子幾乎不吸收，質量小的光子主要被原子中的外層電子吸收、內層電子幾乎不吸收，比如不同質量（頻率）的光子對水的穿透性不同，如核潛艇通信用長波而不用短波、也不用可見光，這是因為可見光能量雖然較大，但是原子中外層電子對可見光的吸收率比較大，所以可見光穿透幾十米的海水後就會被完全吸收，而無線電波光子質量小，原子中無論內層電子還是外層電子對於這種小質量的光子的吸收率都是很低的（遠遠低於對可見光的吸收率）。同樣，在光電效應中，只有能量（質量）大於某一閥值的光子才能使原子中的外層電子電離，但並不是說光子能量越大越容易使外層電子電離，從同一電子與不同光子的質量結合力曲線上看，外層電子對某一特定質量光子的結合力是最大的，當光子質量繼續增大時，電子與光子的結合力迅速減小，比如紫色光可以使電子電離、紫外線也能使電子電離，但是我們用X射線、γ射線這類高能光子照射原子時，由於外層電子和X射線、γ射線結合力很小，所以X射線、γ射線儘管能量高但卻不能使外層電子電離。同樣也能夠解釋紅外線的熱效應比可見光強，這是因為原子中外層電子和紅外線的結合力強於可見光的緣故。

光在介質中的傳播速度取決於光子與電子的相互作用時間。我們知道，不同色光（質量不同、能量不同的光子）在同一介質中的傳播速度不同，通常情況下質量大（能量大）的光子在介質中的傳播速度小而質量小（能量小）的光子在介質中的傳播速度大。從微觀角度來講，光子在介質中傳播會多次遇到介質中的原子，光子與原子作用(結合) --分離、傳播一段極小距離後再與原子作用(結合)--分離，這一過程不斷重複，光子在介質中的傳播速度主要取決於光子與原子的相互作用時間長短，光子與原子作用時間越長則光子在介質中的傳播速度越小。打一個簡單的比方，在一條長度為1000公里的公路上公交車和出租車都以每小時50公里的速度行駛（這個速度相當於光在真空中的傳播速度為C），這條公路上每2公里設一個車站（車站的密度相當於介質中原子的密度），因為公交車上車下車人數很多、需要時間較長，設公交車在每站的停留時間為6分鐘，出租車在每站的停留時間為1分鐘，公交車和出租車都是每站必停，則走完這1000公里公路出租車所用時間少於公交車所用時間，也就是說出租車的平均車速大於公交車的平均車速。光子和原子的作用時間指光子與原子相遇並與原子相互作用到原子最終重新放出光子所需要的時間。我們知道，對於處於原子核靜電引力束縛狀態下的電子而言，它既可能受到遠離原子核的擾動作用也可能受到靠近原子核的擾動作用，光子的能量越大對電子的擾動作用越明顯，因而電子和原子的相互作用時間也越長。打個不恰當的比喻，若設電子在離原子核500個長度單位的軌道上繞核運動，與能量是80個能量單位的光子相遇，如果光子對電子的擾動作用是指向原子核的，則電子就會在這個作用下開始靠近原子核最終電子運動到離核470個長度單位的軌道上，此時由於原子核靜電引力撕裂作用大於電子內部的凝聚力，電子就會"裂變"放出光子質量為80個能量單位的光子並獲得反衝回到離核較遠的原來的軌道上。若同一時刻電子與能量是150個能量單位的光子相遇，並且光子對電子的擾動作用同樣是指向原子核的，則電子就會在這個作用下開始靠近原子核最終電子運動到離核420個長度單位的軌道上，電子在這裡"裂變"重新放出光子並回到原來的軌道上。這裡我們看到，80個能量單位的光子使電子運動了30個長度單位（加上電子回到原來的軌道上則電子運動了60個長度單位），150個能量單位的光子使電子運動了80個長度單位（加上電子回到原來的軌道上則電子運動了160個長度單位），顯然能量越大的光子對電子的擾動作用越大、和電子的作用時間越長，也就是說能量越大的光子和介質中原子的作用時間越長。不同質量（能量）的光子在介質中始終都以光速C傳播，質量大（能量）的光子和介質中的原子相互作用時間較長，因而質量大（能量）的光子在介質中的傳播速度較小。

光子與電子作用概率。如果我們把原子近似看作一個球體，由於原子核只佔原子空間的極小一部分，所以光子穿過原子時與原子核作用的概率極小，也就是說當一個光子穿過原子核時光子與原子核相互作用是一個小概率事件。同時，我們知道原子核外通常有一個或者若干個電子在圍繞原子核旋轉，離原子核越近的電子質量越小其運動區域也越小，離原子核越遠的電子質量越大其運動區域也越大（一般情況下可以認為電子以穩定軌道為核心，在半徑為R+r和R-r的球殼空間內運動）。當一個光子穿過原子時，由於外層電子的運動區域較大所以光子與外層電子相遇的概率大於與內層電子相遇的概率，而光子與原子內層電子相遇作用的概率又大於光子與原子核相遇的概率。總的來看，光子與外層電子作用的幾率大於光子與內層電子作用的幾率大於光子與原子核作用的幾率。

對光子而言，光子同樣有質量和內部結合力。如果我們用橫座標表示光子的質量，用縱座標表示光子內部結合力，則我們同樣可以畫出光子質量結合力草圖。我們認為：質量較小的光子其內部結合力較大，光子也可以吸收其它物質增大質量，比如光子可以吸收若干個引力子增大質量；與電子內部結合力類似，質量極大的光子由於內部結合力較小在與其它粒子作用時會被其它粒子"掠奪"一部分質量，比如在康普頓散射實驗中能量較高的X射線光子被物質散射後波長變長（能量變小，實際上是質量有損失），這個實驗從一定程度上證明了大質量的光子內部結合力較弱，會被其他粒子"掠奪"一部分質量。

在本節的最後，需要明確指出的是，原子的吸收光譜雖然呈現出特定的幾條暗線，但並不是說其它質量的光子就完全不能夠被電子吸收，只不過吸收率低一些罷了。原子的發射光譜總有幾條線特別亮並不是說原子完全不會發出其它質量的光子，只不過原子發出其它質量的光子的概率小一些罷了。

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關鍵字: 吸收 能量 連續光譜