Absorption und Emission von Photonen

Betrachten Sie den folgenden Fall: Ein Wasserstoffatom befindet sich im Vakuum in seinem Grundzustand. Ein einzelnes Lichtphoton, dessen Energie der Übergangsenergie vom Grundzustand (n=1) zum nächsten Energieniveau (n=2) entspricht, wird auf das Atom bombardiert. Da nun die Energie des Photons gleich der Energie der Übergangsenergie ist, bewegt sich das Elektron im Grundzustand auf das nächsthöhere Energieniveau. Dies wird als Absorption bezeichnet. Aber weil die Gesamtenergie des Atoms höher ist, würde es auf ein niedrigeres Energieniveau gehen wollen. Dies wird als spontane Emission bezeichnet. Das bei der spontanen Emission freigesetzte Photon unterscheidet sich jedoch von dem ursprünglich bombardierten Photon (Polarisation, Phase usw.), hat jedoch die gleiche Frequenz.

Also hier meine Frage:

  1. Warum unterscheidet sich das emittierte Photon vom einfallenden Photon?
  2. Beim Laser emittiert das angeregte Elektron, wenn es mit einem Photon beschossen wird, 2 Photonen, die die gleichen Eigenschaften wie das einfallende Photon haben. Warum sind die Eigenschaften des einfallenden Photons und des austretenden Photons gleich?

Antworten (3)

Warum unterscheidet sich das emittierte Photon vom einfallenden Photon?

Erstens wird das emittierte Photon gegenüber der Absorption des ersten Photons um einige Zeit verzögert.

Zweitens wird das emittierte Photon in einer zufälligen Richtung und Polarisation emittiert. Außerdem ist die Phase der zugehörigen EM-Welle eher zufällig als kohärent mit dem absorbierten Photon.

Beim Laser emittiert das angeregte Elektron, wenn es mit einem Photon beschossen wird, 2 Photonen, die die gleichen Eigenschaften wie das einfallende Photon haben.

Dies ist nicht die übliche Betrachtungsweise. Normalerweise sagen wir einfach, dass hier kein Absorptionsprozess stattfindet – das einfallende Photon läuft unverändert weiter, und ein zusätzliches Photon wird emittiert.

Warum sind die Eigenschaften des einfallenden Photons und des austretenden Photons gleich?

Weil dieser Prozess eher eine stimulierte Emission als eine spontane Emission ist. Die stimulierte Emission erzeugt Strahlung, die mit der stimulierenden Strahlung kohärent ist.

Ihre Antwort beantwortet meine Frage teilweise. Meine Hauptfrage ist, warum die Polarisation / Phase des emittierten Photons eher zufällig als dem absorbierten Photon ähnlich ist.
@physics2000, bei spontaner Emission wird das erste Photon absorbiert und existiert nicht mehr. Dann wird einige Zeit später (Nanosekunden, Mikrosekunden oder Megasekunden) ein neues Photon emittiert. Aber da das alte Photon nicht mehr existiert, kann das neue Photon keine Verbindung mehr damit haben.
jetzt macht das Sinn. Aber warum passiert bei der stimulierten Emission das Gegenteil? Danke aber für die Antwort.
@physics2000, stimulierte Emission kann als Resonanzphänomen betrachtet werden. Das einfallende Photon regt eine Resonanz im atomaren System an. Wie in jedem getriebenen Resonanzsystem hat die getriebene Reaktion eine (gesteuerte) Phasenbeziehung mit der treibenden Kraft.
Wie berechnet man die Lebensdauer des angeregten Zustands bei spontaner Emission?

Bei einem Laser erfolgt die Photonenemission durch stimulierte Emission. Stimulierte Emission tritt auf, wenn sich das Elektron bereits in einem angeregten Zustand befindet und ein einfallendes Photon die Emission eines identischen Photons mit derselben Frequenz, Phase und Polarisation wie das einfallende Photon auslöst. Bei der spontanen Emission besteht zwischen dem ersten Photon, das das Elektron auf ein höheres Energieniveau angeregt hat, und dem emittierten Photon keine Phasenbeziehung. Spontane Photonenemission kann nur im Rahmen der Quantenelektrodynamik beschrieben werden, wo die Wechselwirkung des Elektrons mit dem quantisierten elektromagnetischen Feld beschrieben wird.

Ein Beitrag sollte nur eine Frage enthalten, daher ignoriere ich die zweite. Das emittierte Photon hat im Allgemeinen andere Eigenschaften als das absorbierte, wenn das Atom zum Zeitpunkt der Emission nicht (vollständig) kohärent mit sich selbst zum Zeitpunkt der Absorption ist. Solange Energie-Impuls und Drehimpuls erhalten bleiben, kann dann alles herauskommen.

Absorption und Emission von Photonen
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