怎样通过微波热效应来证实微波的量子特性?我在知道帖http://zhidao.baidu.com/question/163361742.html中询问如何证明无线电波具有波粒二重性.讨论中有多位提到了微波炉可以证明微波具有粒子的属性

怎样通过微波热效应来证实微波的量子特性?我在知道帖http://zhidao.baidu.com/question/163361742.html中询问如何证明无线电波具有波粒二重性.讨论中有多位提到了微波炉可以证明微波具有粒子的属性
怎样通过微波热效应来证实微波的量子特性?
我在知道帖http://zhidao.baidu.com/question/163361742.html中询问如何证明无线电波具有波粒二重性.讨论中有多位提到了微波炉可以证明微波具有粒子的属性.可是我们究竟如何设计实验,才能通过微波热效应来证实微波的量子特性呢?（一如黑体辐射试验证实光线具有量子特性那样）
非常感谢《张笃一》。
有无可能，如何做到，通过实验手段发现证实微波热效应中能量的交换，是以一份一份的形式来进行的。如果做到这点，就可较好的佐证微波的粒子性。
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身居久违的老家，反而忙得分身乏术，上网讨论很困难，很对不起大家了。因为提问题字数有限制，我还是以guanzhoutuow_3的ID在下面发帖参与大家讨论。

怎样通过微波热效应来证实微波的量子特性?我在知道帖http://zhidao.baidu.com/question/163361742.html中询问如何证明无线电波具有波粒二重性.讨论中有多位提到了微波炉可以证明微波具有粒子的属性

本文中的光、光子除特别说明,均理解为一切频率.

张笃一,傻中傻霸两位网友的论证都很有力.傻中傻霸的例子中之所以杯子没有热效应,而水却产生热效应,这恐怕不是电磁理论可以定量说明的,不过我对电磁场理论只是个门外汉,我这么说,完全出于其它方面的认识,可以说是臆测吧,欢迎网友指正.

张笃一网友说：“还是我上次说的那句,这个现象可以用量子理论解释也可以用经典理论解释”,并且说“正如低速运动我们无需用相对论只要用牛顿力学即适用”.言下之意,电磁场理论是量子理论的低频下的近似（我这么理解大致是可以的吧,如果是我的错误理解,请见后文对该问题的论证）.既然如此,他实质上就接受了量子理论是更正确的,那么量子化的假设就可以认为是正确的,至少在没有新理论出现前比电磁场理论更正确.

就我所知,凡是涉及电磁波与实物的相互作用时,光子说总是成立的.既然成立,就可在一定程度上表明,它的理论出发点光的量子化是正确的,至少没有更好的理论（但量子化或光子究竟是物理实在,还仅是个数学工具或模型,恐怕现在还没人回答.关键是我们是否能“看到”单个的光子,正如我们已经可以“看到”单个原子,据称有人还“看到”了单个电子.但量子力学又禁止我们“看到”至少是低能的光子.例如1mm波长的微波,这是微波中的能量上限,按测不准原理,其位置不确定度近似为波长,1mm的不确定度对光子而言,是天文距离的吧.我们的处境非常尴尬,想彻底证明却没法证明,想证伪可眼下没发现它有什么错）

因此,我们目前只能在量子力学的框架下,来验证其假设的正确性,而不能完全证明其正确性.只有当我们的观测不能用量子理论说明的时候,那时才有必要考虑抛弃量子化假说.

光的量子性和物质的能级结构是密切关联的,实际上是量子论的一对孪生兄弟.二者都是一种假设,并无直接实验证据.假设的正确性只能根据它们导出的结论与大量实验很好的符合被验证.如前所述,我们至今未发现有任何明显的反例存在,但即便如此,对相同的结论是否可能由另一套“非量子性”假设导出,我们不得而知,但可能性是存在的.如果哪一天发现了不可调和的矛盾,量子力学真走到了山穷水尽的地步,相信总会有人提出更好的理论的.现在来看,还不是时候.如果没有历史上那几朵乌云,很可能普朗克、爱因斯坦和玻尔是谁我们没一个人会知道.

所以严格看来,我前文提出的实验论据核磁共振和微波炉其实也不能证明无线电波和微波的量子化,只能说明在这两个波段量子论仍然自洽,并能成功解释现象.

下面回到楼主的问题,具体讨论微波和转动能级.这里的讨论仍然在量子论的框架下进行.我主要从发射光谱的角度来阐述问题,吸收光谱是其逆过程,本质上一样.微波炉的微波发生器的工作细节我不清楚（但同样属于发射光谱）,吸收过程的光谱行为我也没有具体资料,因此无法就此深入讨论.稍后再简单进一步讨论.

但气体分子的转动光谱（一般处于远红外一直可延伸到微波段,具体大小取决于特定分子转动能级的大小）已被大量详尽地研究,气态分子在较低温度下（数十K）的纯转动光谱是典型的线状光谱,并几乎等间距.在温度较低时,分子平均平动能较小,相互碰撞时一般不足以引发电子能级和振动能级的跃迁（不排除个别能量大的分子可引发这两种能级的跃迁）,但温度只要不是太低,碰撞时即可能引起转动能级的跃迁,即平动能减小,转动能增加.分子位于转动高能级时,又自发辐射远红外或微波光子.其发射的线状光谱就表明了转动能级的量子化,等间距就表明了分子相邻转动能级之间的间隔相等（该推断虽然未必一定正确,但除此之外我们找不到更好的解释）.

附图中列出了HCl分子的转动光谱数据,表中的计算值是利用对非刚性转子模型进行量子力学计算得出的.可以看出量子理论计算值和实验值的相符程度很高.

其中实验测得的最小波数为83.03cm-1,波长0.12mm处于远红外光区,已接近微波光区.如果分子量更大的气体分子,根据理论计算,它们的辐射频率将出现在微波区.如果楼主想实验验证某一微波频率的话,具体方法可参考有关文献,我相信有人做过类似的工作.

需要说明的是,分子更大,相应频率更低时,分子能级间隔更小,谱线相互靠的更近,需要使用更高分辨率的分光系统,将它们分得足够远以致可辨.还有个较难避免的困难在于多普勒变宽和自吸效应这两个因素的存在将大大增加谱线宽度,通常比测不准原理所限定的自然宽度大几个数量级,从而造成谱线的重叠,用再好的分光系统也不可能分开.我怀疑附图中123三条线没有数据可能与此有关.另一个重要原因,可能是在试验温度下实际最低能级并非基态,很可能是第二激发态,如果知道温度的话应该是可以计算的.还有可能与分子无规运动时偶然的分子间作用（对大量分子而言就不是偶然了）引起平动能的显著量子化有关（造成转动能级跃迁的同时伴随平动能级的跃迁,从而使谱线成为带状）.因未看到原图,上述判断仅是臆测.记忆中以前看到过纯转动光谱似乎每条线都有,宽度也较窄,一时想不起来在哪见过.

上面讨论的都是气体分子,如果是液体和固体,分子间的相互作用将使转动能级结构变得极为复杂（正如固体中电子能级的结构一样）.据我很有限的知识,目前还没有很好的理论.至于其实验数据我也没有资料,但相信能级间隔会变小,对应的吸收发射频率会红移.这可以解释微波炉对水有显著的热效应.但可以预料的是,微波吸收谱会是近似连续的,而不会像气体那样出现线状光谱,正因如此,连续的电磁场理论才可能解释该现象.如果是水蒸汽,根据前面HCl的数据估计,很可能不足以引起转动能级的跃迁,不会明显表现热效应.

最后再补充一个直接验证微波量子性的实验,电子自旋共振ESR.其原理与核磁共振有类似之处,它是由微波与电子自旋在磁场中的分裂的能级之间产生的相互作用,当光子能量满足该能级差时将可能被吸收产生信号.由于应用范围较窄,故没有核磁共振普及,本人也未用过.楼主欲知详情可参考一些现代分析方法和仪器的教材和专著.百度百科上的介绍过于简单,恐帮助不大.http://baike.baidu.com/view/818954.html?wtp=tt.楼主想亲自验证的话可与有该仪器的高校联系,不过个人认为意义不大,不太可能发现用量子力学无法说明的现象,同时如前所述要严格证明量子性也不可能（如果你不认可该实验所依据的原理,一定要寻求严格证明）. 

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看到楼上“大作业F”朋友的解答,忍不住想再说两句.这位朋友说的第三种方法,我没见过,不知是否有人做过,但我想说想用任何方法“看见”微波光子恐怕是不可能的（前文已有说明,不妨再说几句.姑且假定能做到一束微波就是一“串”光子,每个光子间隔1mm,呵呵这一串光子的确粒粒可数,但每个光子的能量分散在1mm方圆内,一万年以后有没有人能发明探测这样小强度光的高灵敏装置,我不清楚,目前是没戏）.另外目前看来,无论采用何种光子计数器,所谓的数目都是用绝对光强折算出来的,而不是一个一个“数出”来的.其它的微波探测技术产生的信号也必是连续的（除非像刚才一样每隔1mm一个）,当然人为调制例外. 

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我查了一下中文期刊（检索工具‘中国期刊全文数据库’目前最全的中文科技数据库）,涉及微波谱测量的文献两篇,微波谱理论文章若干篇.测量文献如下：

1.甄梦章. 反-1-氟-2-丁烯的微波谱、红外和拉曼光谱、构象分析、内转动位垒以及振动分析[J]. 化学推进剂与高分子材料, 1987,(02) 

2.王关忠, 陆中贞. 上海天文台铯钟改进束光学系统后的微波谱[J]. 中国科学院上海天文台年刊, 1991,(00) 

楼主想要全文（其中有测量数据,和谱图,属于明显的线状光谱）可向我索取.

国外该方面的观测数据我猜想应较多.楼主想要验证可补充问题,我将给出检索结果.

ESR研究中文文献较多,简单检索有2000余篇.例如：

1.煤及其液化产物的~(13)C CP/MAS/TOSS NMR和ESR研究.波谱学杂志, Chinese Journal of Magnetic Resonance,  2010年 02期  

2.王广清, 杜立波, 张冬艳, 徐元超, 贺曾, 田秋, 贾宏瑛, 刘扬. 链接琥珀酰亚胺的线性硝酮的合成与ESR研究[J]. 波谱学杂志, 2010,(01) 

NMR测量那就不计其数了全球至少100万篇以上.核磁共振应用太广泛了,基本已属于研究中的常规武器. 

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呵呵,我开头也误解为楼主一定要寻求严格的证明（至少是不逊于黑体辐射的证明）,属于“固执”一派,于是就尽我所知列出了几个堪比黑体辐射的验证实验,试图打消楼主“怀疑一切”的想法.看了楼主的上文说明,看来我等都狭隘了.不过在具体的测试细节上,我猜想楼主当是目前参与本帖讨论的网友中最具权威的人士,我本人对楼主的专业问题就帮不上任何忙了,毕竟测试涉及的电学、光学的细节问题的复杂程度不是非行内人士所能想象的. 

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针对“一个微波量子的热效应变化难道就能使电偶的输出有相应的变化?”我们来做个非常粗略的计算.以能量最高的300GHz微波量子为例,一个量子的能量为-22次方J量级.假定热电偶的接触点质量为1mg,比热为1J/gK,吸收一个量子后接触点的温升为-19次方K量级（温度是个宏观概念这么算其实是有问题的,不过只关心数量级的话,估计数量级不会差太多）,热电偶的温差电动率通常为数十微伏每开,不妨假定采用性能优异的热电偶可达1mV/K.这样算来,一个微波量子产生的电动势大约在-22次方V的量级.

且不说这个电动势能否被相对准确测量（其难度楼主应比我清楚）,先说环境温度的影响,很明显任何原因造成的温度波动必须小于-19次方K,测量结果才有意义,这个温度控制恐怕太困难了.换句话说,要想测定一个微波量子的温差电效应的前提是：在现有仪器可以分辨的时段内,热电偶的一端保证只吸收一个量子,另一端必须保证绝无净吸收或净发射一个量子的可能性（不吸收或发射是决不可能的）.这个可能性目前看来是不存在的.所以我倾向于认为试图利用微波热效应进而转换为电效应加以测量的方法证实微波的量子性是不太现实的.

现实的方法还是光谱、波谱法.光谱波谱法的验证不依赖于辐射强度,无论用多大的强度谱线的位置不变,正如光电效应那样.楼主有兴趣的话可以参考前人是如何在仪器上实现测量的.对它们的工作细节我也不清楚,无法更多讨论.

另外单光子技术以前没太留意过,我前文中关于光子计数的观点可能落伍了（我一直认为是累积效应）.看了一下网上有《红外单光子探测器的研制》中科大07年的博士论文,摘要中说“成功的探测到了1550nm单光子脉冲”应视为能探测到的最小频率的光子（离可见区的末端很有限）.从理论上说,微波可以借鉴这一方法,但实现的前提还是寻找到逸出功极小的光电材料.