从微观的角度来看，光能是如何转化成其他形式的能量的？

虎威将军

从微观的角度来看，光能是如何转化成其他形式的能量的？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/393303844

检验医师

以上几位知友的回答都很好。我继续补充一些。
我的研究基本是基于气相单分子的，也就是说可以认为分子是孤立的，没有凝聚态的那种晶格作用。不过即使这样的单分子体系，光的能量仍旧可以在分子内部被转化。
例如，如果光子能量足够强，可以将分子解离（光解）。这个过程一般是分子（中的电子）先共振吸收光子，达到一个激发态，这个激发态要么本身就会跌落到解离态，要么和一个能量相近的解离态有比较强的耦合，然后分子就顺着解离了。解离之后，原光子的能量大部分变为了断裂化学键所需要的化学能，以及碎片的动能。还有残留的能量可能留在碎片的振动、转动中。像下面的能级图[1]



Ge Sun et al., Mol. Phys., (2021) 119, 1-2.

与光解类似的，高能量的光子也可能将分子电离。这时候能量转化为打出去的电子的动能。
另一种情形，光子的能量会经过分子内部的振动模式重新分配。多原子分子有不止一个振动模式，分子越大，振动模式就越多，相互之间的耦合也越多。一个红外光激发某一个能量较高的振动模式之后，在皮秒内这个能量就会被重新分配到能量更低的振动模式组合上去。把分子想象成许多个串在一起的弹簧，拨动一个弹簧，松开后，其他的弹簧也会开始跟着振动，大概就是这种图景。


第三种情形，分子会把能量再吐出去。这很自然嘛，分子被激发到高能级，再跌落的时候重新放出光子。再释放的光子有可能和吸收光能量一致（瑞利散射），也有可能发生改变（斯托克斯/反斯托克斯拉曼，荧光）。释放的光子的能量通常和吸收的光子不一样，能量差反应在终态跑到了别的振动能级上。这是因为弗兰克·康顿效应，跃迁会发生在振动波函数重叠程度最大的两个态。



拉曼

检验医师

高赞答主写的内容很清楚地讲述了光能是如何转化为化学能的。我补充一下关于其他方面能量转化的内容。
微观上来看，光能可以转化成热（内能）、电能、化学能几大类。
内能
一种物质对光的吸收是由物质本身的电子跃迁决定的，比如在钻石中的氮空位色心（可以看做是一个分子）的能量级如下，


如果这个分子在真空当中的话，根据能量守恒它只会吸收能量间隙对应波长的入射光，在这种情况下是637nm，同样地，这个分子也只能放出和能量级对应波长的光子。但是实际上，它的吸收和荧光光谱是这样的，


注意到，图中黑色的是吸收光谱，所有波长比637nm短的都可以被吸收，所有比637nm长的都可以被放出。黑色和红色光谱几乎对称，对称轴的位置是637nm。那么，为什么这个分子可以吸收比自身能级能量还要高的光子呢？为什么放出来的光子都比自身能级能量低呢？答案是分子和周围钻石晶格的相互作用使得所有比自身能级能量高出来的能量都被晶格吸收，转化为声子，

这也就解释了多余的能量的去处。释放光子的过程不仅释放了一个光子，也会释放一个声子，使得荧光光子比分子本身的能量还要小。既然声子是晶格振动，那声子也有自己的频率，也会在晶格中传播，也会携带能量，所以这部分能量可以理解为固体的内能。也就是从光能到内能的转化。
也许你会问，那能不能有下面的过程呢？

既然晶格本身有振动，而且温度越高振动越强烈，那是不是可以用能量较低的光子激发能量较高的分子呢？读者可自行证明……
电能
从光能转化为电能让太阳能板成为可能。在传统的无机半导体太阳能电池中，电子自由地在硅晶格中游走，形成导带（Conduction band）和价带（Valence Band）两种能量谱，


价带里的电子可以吸收光子之后被激发到导带中，然后再掉回到价带中放出一个光子，这个过程和上面分子吸收和荧光是相似的，但是在太阳能板中，我们可以把两种不同的半导体材料叠在一起形成一个PN结，PN结内部的电场使得在导带的电子快速地从PN结迁移到PN结一端的（N端）电极上，如果PN结和外电路连在一起就可以形成一个电流通路，把光能转换为电能。
最近十分火热的有机半导体也是使用相似的原理完成光电转化的，但是PN结的构成和载流子不太一样，这个原理之后可以再补充。
化学能
光能到化学能的转化有很多种形式，一般是通过氧化还原反应完成的，也就是高赞答主答案中提到的光合作用的原理。

大力水手

这个事儿其实有几个阶段。
比较易于理解的阶段，是糖类分解提供能量，以及各种化学反应提供能量。
在此之前，则是光的能量输入电子跃迁。这个时候就涉及到了光的粒子性。
说白了，就是光能可以促进化学反应。其中也包括光化学反应。
我们知道温度会影响化学反应速度。又知道光（包括可见光红外光乃至紫外光）可以“传递热量”。
这个光能传递的过程，可以简单通过“电子跃迁”的形式来理解（尽管比这要复杂一些）。
也因为这个原因，对不同光的吸收不同，以及不同波长的光对化学反应的影响不同，就造成了地球上绿色植物繁盛的结果。
这些植物的化学反应和化学反应过程，我们就比较容易理解了。

检验医师

光与物质之间的相互作用简直可以串联起近代物理学的发展。从最早的粒子学说到经典电动力学，再到量子力学和量子场论，更深入的本人也没有接触了。
很多回答中，物质对光的吸收似乎就近似在电子态的能量差符合时，光子就能被体系所吸收。这种理解和高中教科书对光电效应和bohr模型的解释相近，也非常利于理解。然而这仅仅是一个开始。实际上，细心点思考，整个相互作用的动力学过程都是模糊不清的。本文仅从经典近似的电磁场和量子化的分子体系相互作用图像，提供另一种理解光能转换的角度，也希望引出更进一步的量子场论（解决了电磁场量子化问题）的回答。
经典电磁学告诉我们，光其实是周期性震荡的电磁场。其中电场部分可以写作：

其中 为电场振幅， 为电场方向的单位矢量， 为电场振动频率。在忽略磁场和物质的相互作用时（一般很小），我们可以认为电场会通过经典的电场相互作用和物质发生能量转移。
将分子体系电场分布多极矩展开后，我们仅保留偶极矩，算符在薛定谔表象下可以写作：

然后，我们就得到了电场微扰下的体系哈密顿量：

其中 为体系原本的哈密顿量。这里我们已经能够看到包含电场相互作用的动力学方程了。理论上，将扰动后的哈密顿量代入含时薛定谔方程，我们就可以求解体系的状态变化或是密度矩阵变化。更巧妙也更可行的方法是使用含时微扰理论，其一阶微扰结果就是有名的费米黄金规则(Fermi Golden Rule)[1]：

这就是单位时间，状态 到状态 的跃迁几率。注意到末尾的 函数，它说明只有在分子跃迁频率和电场频率相近时，才能发生明显的状态变化。注意到，当我们体系的能量随着状态变化发生改变时，电场的能量根据能量守恒，就会相应的改变。这也就解释了相互作用后光子的吸收和发射。
通过费米黄金准则，通过统计力学知识，我们能够得到更多物质吸收或发射光子的一些信息。这里就不展开讨论了。通过这些公式，我们至少能初步理解，光与物质的作用绝非简单的碰撞吸收，而是通过电场对带电粒子的微扰实现吸收或发射的。

长长的路

非常好的问题。
我们都知道能量是守恒的， 能量可以在不同的形式之间转化。比如水电站将水的势能转化为轮机的动能进而转换成电能；太阳能电池板利用光伏效应将光能转化成电能；同样，手电筒可以将电池储存的化学能转化成电能进而最终转化成光能。
可是当涉及到生物或化学的时候，这个本质上的物理问题将变得十分复杂。
最近正好看了一篇光合作用的科普文章，这里就现学现用从物理的角度阐述：
光合作用过程中光能是如何转化成其他形式的能量的。

物理上光合作用的本质是两个过程：能量转移和电子输运。这两个过程分别对应两个光合作用的重要概念：光子收割系统「light harvesting system」和反应中心「 reaction center 」
1. 能量转移

光子收割系统这个名字起得非常形象。其基本结构如下图中的紫色部分。绿色的为叶绿素分子。黑色箭头代表了能量传输路径。



光和系统示意图。图片来自网络，侵删。

能量传输过程看起来非常简单。叶绿素分子吸收太阳光，然后将能量一步步的转移给临近的叶绿素，直到反应中心。光子收割系统通常含有20-300个叶绿素分子「个别含有1000个以上」[1]，因此能量传输要非常高效。
分子间的能量传输过程在物理上叫 Förster resonance energy transfer 或者叫fluorescence resonance energy transfer，FRET，翻译为荧光共振能量转移。这个物理模型的示意图如下：



图片来自维基百科Förster resonance energy transfer，侵删。

FRET描述的是能量在光敏分子间的转移。施主分子吸收太阳光处于激发态，通过弛豫过程跃迁回亚稳态，然后释放虚光子。虚光子迅速被十分临近的受体分子吸收。FRET能量传输率跟分子间距离的6次方程反比：

其中 为特征长度，数值为能量降为一半的位置。因此，分子间的距离需要很小才能保证高的传递效率。叶绿素分之间的平均间距为1纳米「 」，因而能量传输率极高。
注意上图括号里的时间尺度。as阿秒「 」，ps皮秒「 」，ns纳秒「 」。这些尺度，尤其是前两个被称为超快过程。在超短fs飞秒「 」激光发明之前，这些过程几乎是不能被观察到的。
能量转移随着黑色箭头来到一对绿色的叶绿素分子，处在紫色光子收割机的包裹内。这部分即为反应中心。实现的功能是电子传输。
2. 电子传输

当光子能量被转移到反应中心以后，电子输运过程开始。如下图所示。



反应中心示意图。图片来源[1]

反应起点为上面提到的那一对叶绿素分子，被称为特殊对「special pair」，图上标注为P。P吸收光子被激发后，在3皮秒时间内失去一个电子，形成 ，以及叶绿素负离子 。负离子上的电子在200皮秒左右跳到醌分子 上，然后在100微秒时间内再跳到第二个醌分子 上。P损失了电子的电子会被附近酶中水分子补偿，从而也产生质子 。这个过程会重复进行，最终P获得两个电子补偿，而醌分子 捕获两个电子和两个质子形成 分子。 离开这个反应中心的蛋白质支架，从而参与制作储存化学能的ATP和NADPH。
这样光合作用的完整能量转移和电子输运基本完成了。
但有几点值得赘述下。电子传输效率接近100%；光子能量超过40%被有效转移。另外，上图很明显有两个电子输运分支，我们讨论的是经过活跃分支A的过程，另一个过程经过不活跃分支B。相关的实验表明[2]，活跃分支与不活跃分支的电子输运比为200:1。而特殊对P和不活跃分支B的距离只有不到2纳米，计算出的传输率至少是观测到的1000倍以上。造成两个分支传输效率不同的原因在于分支A叶绿素分子的DNA螺旋结构上有13个突变的基因。当人为的把这些突变全部去除后，分支A和B里的电子输运都停止了[3]。另外，非常令人惊奇的是，电子传输几乎只能是正向的。比如如果把最后一个分子 去除，电子会从 返回特殊对P。但是这个反向过程所需的时间是正向过程的约100万倍。「不让回头啊」。
因此，生物体的结构几近完美！

以上算是文献阅读笔记，仅供参考，欢迎指正。