Ändern sich die Energieniveaus von Elektronenorbitalen relativistisch?

Wenn ein Elektron ein Photon aus wechselnden Energieniveaus emittiert, hängt die Frequenz des Photons von der Differenz zwischen den Energieniveaus ab.

Aber wenn sich jemand in Bezug auf das Atom bewegt, wird die Frequenz offensichtlich rot- oder blauverschoben sein.

Bedeutet dies, dass die Energieniveaus der Atombahnen unterschiedliche Werte zu haben scheinen, wenn Sie sich in Bezug auf sie bewegen? Der scheinbare Energieunterschied kann jedoch unterschiedlich sein, je nachdem, ob das Photon auf Sie zu oder von Ihnen weg emittiert wird.

Was ist los? Sollen die Energieniveaus von Umlaufbahnen angesichts der Art des Atoms nicht ein fester Wert sein?

Gute Frage, aber wird das Photon wirklich in eine bestimmte Richtung emittiert? Ich bin mir sicher, dass ein Wasserstoffübergang kein ebenes Wellenphoton aussendet (aber ich bin mir nicht sicher, was er aussendet ... vielleicht eine S-Welle, zumindest für einige Übergänge?)
Eine Verbreiterung von Spektrallinien tritt aufgrund des Doppler-Effekts (sowie einer Reihe anderer Effekte) sogar in nicht-relativistischen Regimen auf. Sonst wären Emissions- und Absorptionsspektren unendlich scharf. Als Randbemerkung könnte es Sie interessieren, dass die relativistische Massenzunahme für gebundene Elektronen um die zweite Reihe von Übergangsmetallen herum signifikant wird und quantenchemische Berechnungen dies für genaue Energieberechnungen berücksichtigen müssen.
Eine Verbreiterung der Spektrallinien entsteht durch chaotische Bewegung, zB in einem Gas, in dem viele Atome mit gleicher Frequenz emittieren. Außerdem gibt es eine Verbreiterung aufgrund der Heisenberg-Unbestimmtheit. Eine Relativbewegung zwischen der Quelle und dem Beobachter führt andererseits zu einer Energieverschiebung.

Antworten (2)

Um kurz zu antworten, ich bin nicht sehr zuversichtlich in diese Antwort und lade Sie ein, sie gegebenenfalls zu bearbeiten oder abzulehnen!.

Die Energieniveaus der Elektronen werden über Berechnungen des elektrischen Potentials/Feldes um den Kern bestimmt. Das elektrische Feld ist ein Vektorfeld, das sich unter der speziellen Relativitätstheorie transformiert, und daher erklären wir alle relativistischen Effekte durch Moderation dieses Felds.

Zakk sagte unten, dass „es keinen Grund dafür gibt, dass die Energieniveaus in jedem Bezugsrahmen gleich sind“. Ich dachte in etwa, dass jedes Atom mit jedem anderen Atom identisch ist und daher die gleichen Energieniveaus haben sollte (obwohl dies offensichtlich nicht der Fall ist), aber dies erklärt den Mechanismus - dass die Energieniveaus ungefähr das elektrische Feld sind. Ich vermute auch, dass Polarisierung sehr relativistisch ist. Sobald Sie alles berücksichtigt haben, bleiben Energie und Impuls erhalten und das Universum dreht sich unverändert fröhlich weiter.

Die Antwort ist ja, die Energieniveaus wandeln sich entsprechend der Lorentz-Transformationen um und sind blau/rot-verschoben, wenn sich die Quelle auf den Beobachter zu/von ihm weg bewegt.

Als Antwort auf Ihre letzte Frage gibt es keinen Grund dafür, dass die Energieniveaus in jedem Bezugsrahmen gleich sind. Dieses Phänomen ist bekannt, zwei Beispiele sind:

  • Die Emissionsspektren von Sternen, die rotverschoben sind, wenn sich Galaxien voneinander entfernen. Tatsächlich ermöglicht die Rotverschiebung den Kosmologen, viel Wissen über das Universum zu gewinnen.
  • Einige Anwendungen des Mössbauer-Effekts, bei denen die Frequenzverschiebung tatsächlich ausgenutzt wird, indem die relative Geschwindigkeit der Quelle und des Absorbers abgestimmt wird, um die Emissionsfrequenz zu modifizieren und sicherzustellen, dass sie mit der Absorptionsfrequenz übereinstimmt. Siehe zum Beispiel: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/mossfe.html
Ändern sich die Energieniveaus von Elektronenorbitalen relativistisch?
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