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热辐射的本质是热运动还是能级跃迁?

 昵称11935121 2018-02-05

所谓热辐射,指的是一切温度不为绝对零度的物体都有向外辐射电磁波的现象,虽然严格来说热辐射包括一切波长的电磁波,但热量主要依靠波长较长的电磁波如可见光、红外光等传播。

热辐射是热量传递的一种途径,有别于热传导,后者是靠传递原子/分子的热运动来实现热量的转移,需要互相接触或有传播媒介。热辐射因为是电磁辐射,完全可以在真空中发生,也是能量/物质的一种存在形式。

尽管热辐射的载体并不是热运动,但热量的产生是依赖于热运动的。例如白炽灯发光过程,实际上就是金属灯丝内的电子在运动过程受到了原子热振动的干扰,把能量传递给了原子,使其热振动更加厉害,灯丝整体温度升高,能量以辐射形式往外释放,包括可见光在内。白炽灯辐射出来的大部分是白光,具有连续电磁能谱。如果是原子群体受激辐射,实现粒子数反转,在能级跃迁过程中,就可以出现相干单色光——激光,也是电磁辐射/热辐射。如果是半导体材料中电子-空穴对复合,就可以实现LED照明。相对而言,白炽灯的发光效率要低得多。

带电粒子的热运动是无规运动或平衡位置附近的热振动,并不像同步辐射装置里的高能电子一样,后者会持续辐射出X射线等电磁波。粒子热运动的能量尺度是很小的,比如原子的热振动能量大约几十个meV。高速带电粒子运动带来的电磁辐射的能量可以达到eV甚至keV量级,波长要短的多,一般不称之为热辐射。

总而言之,热辐射因为是电磁辐射,其载体就是光子。产生光子的方式有很多,对应能量的湮灭或转化,未必是能级跃迁。

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