原子中的電子吸收並重新發射它。但是，為什麼電子會費心吸收和重新發射光，而不僅僅是讓它一直通過？

您的問題有一個基本的誤解。

電子是固定質量的元素粒子。它可以從光子（也是基本粒子）上散射。如果加速，它可以發射光子，但是它不能吸收光子，因為電子的質量是固定的，並且如果它能夠吸收光子-在電子的質心-質量將變化，這與觀測和基本粒子的相對論相矛盾。

吸收和吸收這兩個術語不適用於自由電子。它是原子系統中的鍵合電子，當atom吸收光子時，它可能會改變原子中的能級。因此，吸收光子的不是電子，而是原子。

原子具有能級，如果光子能量重合（在小的 $ΔE$ span>內，則能級的寬度）具有將電子踢到空能級的躍遷能，則原子可以吸收光子（而不是電子）。因此，上面對“為什麼”的解釋是“因為光子具有適當的能量將電子轉移到空能級”。

如果光子能量與原子的躍遷能量不一致，則光子可能會與原子或分子的溢出電場發生彈性散射或轉移能量，從而使低能光子繼續傳播。

需要保留的相關思想是基本粒子不能吸收光子。可以是原子，分子和晶格的複合原子。

但是為什麼電子會費心去吸收和重新發射光，而不僅僅是 讓它一直通過嗎？（電子也會因 吸收能量從而重新發出能量，但首先 為什麼會吸收它？）

可能會問一個類似的問題，例如擺錘。

如果您推動鐘擺，它將先上升然後下降。那麼，為什麼會問，如果事後它又下降了，為什麼還要上升呢？為什麼它吸收推力的能量而不是僅僅忽略推力？

我想一個簡單的答案是，它吸收能量是因為它受到直接打擊，而不是由擺錘決定是接受還是忽略它。

實際上只有兩個問題：電子為什麼與光子相互作用，原子為什麼吸收光子？

W為什麼與光子相互作用？

可以通過考慮相對論量子場論來理解為什麼電子與光子相互作用。為了將量子力學與狹義相對論結合起來，您必須將現實視為“量子場”組成。字段是在每個位置都具有值的東西，例如$ \ Phi（x，t）$可能是一個（時間相關的）字段，該函數的值表示空間中每個點（以及每次t）。經典的非量子場只是在每個位置都有一個值-您可以將其視為某個系統的高度，例如在空間的每個點上與振盪器平衡的偏差。一個 quantum 字段在空間的每個點上都有一個 quantum 系統。您可以認為它是在空間的每個點都有一個量子諧波振盪器。點狀系統的狀態，即該振盪器偏離平衡的狀態，是空間中該點處的場的“高度”。

現在，量子力學的核心原理是：量子態的相無關緊要。為了將這一原理帶入量子場，如果我們改變空間中各點狀態的相位，則描述系統物理的方程（稱為拉格朗日方程）必須保持不變。此要求稱為“規範對稱性”。現在碰巧發生了，僅使用諸如導數之類的標準表達式來構建規範對稱的拉格朗日數是相當困難的。相反，為了保持規範對稱性，必須引入另一個量子場，稱為規範場。這是維持量規對稱性的唯一方法，即維持量子態的相位沒有物理意義的要求。

因此，如果您嘗試建立物理定律（拉格朗日法）來描述簡單物質場（例如，電子場），則需要引入一個與其相互作用的附加“規範”場。物質場中的波將是物質粒子，例如電子。規範場中的波將是載力粒子，例如光子。

然後總結一下，電子與光子相互作用的原因是，電子實際上是量子（相對論）場中的波，並且這些波必須與（規範）電磁場中的波（我們稱為光子）相互作用。 ，以使電子的場成為 量子場（即點狀態的相位沒有任何物理意義）。

W為什麼原子吸收光子？

Anna v已經很好地解釋了為什麼基本電子不能吸收光子-它必須散射它，因為電子的能量和質量在其靜止框架中不會增加。但是為什麼原子吸收光子呢？

這裡的重點是，您不能為一種效應而將電磁相互作用“關閉”，而為另一種效應而保持“開啟”。如果您建立一個描述被電磁力吸引到正核的電子的方程，那麼這個相同系統也將受到電磁場中波的影響。

因此，描述與原子核的勢能發生電磁相互作用而產生的穩定軌道（電子能級/軌道）的方程式也描述了對電磁波的響應（通常僅作為對穩定狀態的擾動來處理）。與波的這種相互作用等於消除了波的正常模式（消除了光子），同時增加了能量以保持能量守恆。 （或者相反，在降低能量的同時創建一個正常模式的波。）

想像一下一個處於熱平衡狀態，溫度為$ T $的立方體盒子，讓我們認為在這個盒子中有一個電磁場（即光子）和一個原子氣體（即費米子）。

您可能已經知道，光子被盒子的壁連續吸收和發射，它們在熱平衡時趨於達到普朗克頻率分佈。重要的是要注意，當您將物質和光放在一起時，盒子壁（即物質！）不斷吸收和再發射光子的過程始終存在。如果要達到普朗克分佈，這是基本的要求，因為普朗克的分佈具有化學勢$ \ mu = 0 $（即，產生（或殺死）光子的能源成本實際上為零）。

如果這個框架不明確，那麼現在您必須確定要了解這些光子正在移動到此框中。在運動過程中，由於電子-光子的橫截面不為零，它們將與氣體原子的電子一起散射：這種散射過程表徵了光子與電子之間的相互作用，因此表徵了原子的激發。

您的問題的答案可以是：

我認為這是一個非常好的問題-從某種意義上說，實際上很難以清晰直觀的方式回答。這是我的看法，這當然是特里·普拉切特（Terry Pratchett）所說的善意謊言（也就是說，它給人的感覺是直覺上“正確”，但實際上可能並非如此）：

在物理學中，我們有一些場，它們被描述為滲透到空間中的東西。電場就是這樣的一件事。另一方面，我們有“質量”或“費用”：與給定類型的字段相互作用的一些數量；例如，電荷與電場相互作用。這意味著電荷會以某種方式圍繞在其自身周圍，如果更改電荷的位置，則電場會隨其移動-但是這種情況不會立即發生，因此電場的變化會從電荷中傳播出去。跟隨波形充電。我試圖仔細地選擇我的話，這就是為什麼它聽起來有點毛躁-基本上可以使用正弦和余弦來描述場變化的方式。

這類似於軟木浮在水上時發生的情況：如果推動軟木，水會搖晃，波會散開，然後逐漸消失-如果您願意，這是“波粒”，只有它均勻散佈在各個方向上-我認為我們實際上不知道為什麼光子看起來比這樣更像粒子。但是，該示例還說明了場如何影響粒子：當波通過軟木塞時，它會擺動，並且毫無疑問電子也會發生這種情況。

先前的一些答案假定自由電子不吸收光子，我認為這並不完全正確：如果光子撞擊電子，它將失去一些能量，並轉移到電子上。我認為這意味著一些能量被吸收了。我們從未見過光子被自由電子完全吸收-並且它不符合當前理論，但是我不認為實驗物理學的狀態能夠排除它會發生的可能性。另外，我不相信我們能解釋為什麼以及如何使光子被結合的電子完全吸收。量子力學對細節相當粗略-這也許不足為奇，因為它是一種概率/統計理論：它描述的是平均發生的情況，而不是單個粒子必然發生的情況。

對不起，如果最後一部分有點兒麻煩：我是一位數學家，試圖理解物理學的基本原理，並且遇到困難。

問題是“為什麼電子要費心吸收和重新發射光，而不僅僅是讓光一直通過？”

幾乎所有時間原子都不不吸收和釋放光。這僅在以原子的激發頻率諧振的光子中發生。非諧振光子不會被吸收，當然也不會被釋放。在非常高的溫度下，例如在等離子體中，當熱輻射的發生頻率接近原子激發能時，吸收和釋放的條件可能是正確的。

吸收和發射並不是光與物質相互作用的唯一方式。光可以被分子散射，可以被瑞利散射彈性散射，可以被康普頓散射非彈性散射。在諸如窗戶玻璃的電介質中，反射和透射通過光與電介質的電子激發的混合而發生。在這種激發下，一些光也被非彈性散射吸收。

通常不需要相對論場論，除非需要非常精確的原子能級，涉及重原子或產生諸如真空極化的深奧效應。

吸收和發射是我們使用量子場論描述電子與電磁場之間相互作用的方式。如果光子不散射電子，它們將不會相互作用。

基本上，如果您將光場和物質場耦合併進行量化，則必須獲得一個過程，其中電場（電子和光子）的量子必須散射（吸收並重新發射）。