我将借助爱因斯坦 AB 系数模型来回答这个问题，并且会进而讨论到量子点、AIE 等科研前沿话题。欢迎需要学习光学的朋友们点赞 / 收藏。
在正式开始回答这个问题之前，我们来想一想下面几个事实（1-3）和问题（4-5）：
- 当元素受到激发（比如高温）时，就发出特定波长的光，这叫做原子发射光谱；
- 当元素受到光照时，就会吸收特定波长的光，这叫做原子吸收光谱；
- 对于同一种元素，其原子发射光谱和原子吸收光谱的谱线基本一致；
- 那么请问，对于太阳的大气层，应该表现出来的是发射光谱还是吸收光谱呢？
- 物质与光发生相互作用时，到底会发生些什么？
关于上述问题，爱因斯坦早在 1916 年时就建立了模型来进行解释——这就是爱因斯坦 AB 系数模型。在爱因斯坦提出模型之后，科学家们又对于模型进行过一些升级改进。而我今天将先介绍爱因斯坦的原始模型，之后再使用改进版模型来加以解释。
如果只想看问题 4 的回答而不关系模型细节，请直接跳转至结论分析——对于问题 4 的回答部分。
如果只想看问题 5 的回答而不关系其它部分，请直接跳转至模型改进部分。
假设有一些处于平衡态的原子，它们具有两个能级
和
，并且我们有
；在
能级上的原子数为
，在
能级上的原子数为
在爱因斯坦的最初理论中，此时一共会发生三件事情：自发辐射、受激发射和光子吸收。
自发辐射
自发辐射（spontaneous emission）是一种原子或分子从高能态向低能态跃迁时自发发出光子的过程。在自发辐射过程中，原子或分子并没有受到外界的刺激，而是自发地向低能级跃迁并发出光子。这种发射出的光子的频率、相位和方向都是随机的，与周围环境无关。
根据爱因斯坦的模型 ，使用
系数来描述
受激辐射
受激辐射（stimulated emission）是一种光子辐射过程，它与自发辐射相似，但在一个有外部辐射场存在的系统中发生。当一个原子或分子处于激发态时，如果有与该激发态光子具有相同频率、相同相位的外部光场作用于其上时，会引起这个原子或分子向低能级跃迁，发出一个光子，光子与外部光场具有相同频率和相位，即与激发态光子一模一样。这个发射出的光子与外部光场中的光子都具有相同的频率和相位，它们会在空间中干涉形成一个更加强烈的光波。受激辐射时激光的基本原理。
根据爱因斯坦的模型，用
系数来描述
其中
是普朗克黑体辐射定律中辐射场的辐射密度
光子吸收
处于基态的原子或者分子吸收光子从而发生能级跃迁的过程。
根据爱因斯坦模型，使用
系数来描述
细致平衡
当处于平衡态时，两个能级的分子数不再发生改变，也就是
所以我们有
在平衡状态下，根据玻尔兹曼分布，我们有
其中这里
和
是简并度
将
代入进行计算。因为
是
的函数，并且等式对于任何
成立，最终我们可以得到
结论分析——对于问题 4 的回答
那么这个模型大致是什么意思呢？就是说在平衡状态下，原子的能级分布符合玻尔兹曼分布，并且外界没有入射光。此时这两个能级之间既不吸收光，也不放出光。这是由于自发辐射
、受激发射
和光子吸收
之间达到了平衡。但是，一旦这种平衡被打破，就会导致吸收光或者放出光。
比如当外界有入射光时，此时光子吸收
占据了主导，那么此时表现为原子吸收光谱。
比如当原子被瞬间加热或者使用特定辐射（比如频率更高的光）激发之后，此时玻尔兹曼分布被打破，更多的原子达到了更高的能级，所以自发辐射和受激发射占据了主导，那么此时表现为原子发射光谱。而对于分子来说，如果激发方式不是通过加热，则称作冷发光（luminescence）；比如有电致发光（Electroluminescence）、化学发光（Chemiluminescence）等。如果激发方式是光激发，则为荧光（Fluorescence）或者磷光（Phosphorescence），它们也属于冷发光。
而对于太阳的大气层，尽管其温度很高，但是依然是处于平衡状态，而外部光照强度很高，所以就表现为吸收光谱。在太阳光谱中可以看到很多暗线，这叫做夫琅和费线。这也是用来研究太阳组成的方式之一。（不过需要指出其中有一些暗线是由于地球大气所导致的）
模型改进——对于问题 5 的回答
在爱因斯坦的原始模型中，自发辐射必定释放一个光子（也就是量子效率为 100%），也只有另一个光子才能导致能级跃迁，这显然并不是真实的情况。因此后人们进行了一些改进，其中一个很重要的改进就是用辐射衰减（Radiative decay）和非辐射衰减（Non-radiative decay）来代替了自发辐射。
当原子自发地从高能级回到低能级时，既可以通过释放光子的方式来进行（辐射衰减），也可以通过释放声子的方式来进行（非辐射衰减，最终转化为热量）。
晶体中的原子或分子因为受到温度的影响而不停地振动，它们之间通过共振耦合形成了晶格振动模式，这些模式就对应着不同种类的声子。
而此时新的自发衰减的速率常数，可以写成这两种过程的一种叠加（
表示辐射衰减的速率常数，
表示非辐射衰减的速率常数）
理论应用——量子点的颜色
量子点是一种纳米结构材料，通常由半导体材料制成，其尺寸小于光的波长，因此它们具有量子尺寸效应。量子点的尺寸决定了它们的能带结构和光电性质，因此可以通过调整其尺寸来控制它们的光学、电学和磁学性质。量子点在光电子学、生物医学、光储存和光通信等领域具有广泛应用。
在紫外光的激发下，量子点将会释放出波长等同于能量间隙的光，所以量子点的尺寸越小，所放出光的波长越短。（下图为自己手绘的示意图）
这个时候在紫外光的激发下，很多电子跃迁到了较高的能级上，所以此时自发辐射和受激发射占主导，表现出发射光谱发出波长等同于能量间隙的光。
那么，假如没有紫外光的照射呢？如果仅仅是在日光下，所看到的量子点是什么颜色的？这个时候电子能级没有被激发，外界光照占主导，所以此时量子点反而是会吸收波长等同于能量间隙的光，从而表现出完全不一样的颜色。
理论应用——AIE（聚集诱导发光）
聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission，简称 AIE）是一种特殊现象，某些分子在分散稀薄溶液中时荧光较弱或无荧光，但在聚集状态或固态形式下发光强度显著增强。
AIE 现象背后的机制涉及分子内运动的限制（Restriction of Intramolecular Motions，简称 RIM）。当 AIE 活性分子处于稀薄溶液中时，它们的分子内运动，如旋转和振动，相对不受限制。这些运动为非辐射衰减途径提供了途径，从而使激发态能量以热量形式消散，导致荧光较弱或无荧光。然而，当这些分子聚集或处于固态时，它们的分子内运动受到限制，抑制了非辐射衰减途径。因此，激发态能量通过辐射途径释放，导致荧光增强。
也就是说，这些 AIE 活性分子单体，具有很多的分子内转动和振动，所以导致发生自发衰减时，主要以非辐射衰减的方式，从而导致依靠辐射衰减方式的荧光很弱。
而当这类分子发生聚集时，这些分子内运动方式被抑制，所以激发态回到基态主要以辐射衰减来发生了，从而导致荧光明显增强。