Atomanregung: Was ändert sich, Amplitude oder Frequenz?

Wenn ein Atom von einem Photon angeregt wird und es einen Elektronenübergang vom Grundzustand zum angeregten Zustand gibt, vom Energieniveau 1 (E1) zum Energieniveau 2 (E2), verstehe ich, dass die Energie des anregenden Photons gleich E2 sein muss – E1 = hf (h ist die Planck-Konstante und f ist die Frequenz des Photons). Aber meine Zweifel sind ob:

a) das Elektron schwingt mit der Frequenz f und erfährt eine Amplitudenzunahme, dh es schwingt weiter vom Kern entfernt oder

b) das Elektron vibrierte beispielsweise bei f1 und seine Frequenz wird auf f2 erhöht, weil das anregende Photon die Frequenz f2 – f1 hat.

Ich habe die beiden Erklärungen gelesen.

Diejenige, die ich sicherlich bevorzuge, ist a), weil sie eher der klassischen Analogie einer stehenden Welle entspricht, bei der die 1. ankommende Energie nur mit einem Modus interagieren kann, der mit derselben Frequenz wie der Stimulus vibriert, und der 2. Schwingungsmodus orthogonal, also ankommend ist Energie kann keine Modenänderung begünstigen, sondern nur eine Amplitudenänderung innerhalb der fraglichen Mode …

Die Besonderheit des Quantenreichs wäre also nur, dass es eine minimale Einheit des Lichtreizes gibt, die mit seiner Frequenz zusammenhängt und als hf definiert ist, die wir Photon nennen. Übrigens würde ich sagen, dass dies keine große Besonderheit wäre, weil ich mir vorstellen kann, dass ich es tun muss, wenn ich eine an beiden Enden befestigte Saite anregen möchte, um sie mit einer ihrer natürlichen Frequenzen oder Tönen (f) zum Schwingen zu bringen mit einem Stimulus, dessen Intensität im Hinblick auf die Art der Herausforderung berechnet würde: als Produkt von f (was schließlich das ist, was die Saite tun soll, dh mit dieser Frequenz, aber intensiver schwingen) mal einem Faktor, der die Rolle von spielt h und bezogen (ich nehme an) auf die Eigenschaften der Saite …

Aber achten Sie bitte nicht auf letzteres Geschwätz…, die Frage ist nur: Ist a) oder b) die richtige Erklärung dafür, was sich bei einem Elektronenübergang ändert: Amplitude oder Frequenz?

Bearbeiten : Ich habe festgestellt, dass die Frage möglicherweise nicht eindeutig ist. Ein wahrscheinliches Szenario ist, dass das Atom bei einer bestimmten Frequenz keine Schwingung enthält und nach dem Einfall des Photons eine solche Frequenz annimmt. Ich würde sagen, dass dies unter Kategorie a) (Änderung der Amplitude) fällt, weil früher die Amplitude bei einer solchen Frequenz Null war und es zu was auch immer wird, aber jemand könnte interpretieren, dass dies eine Änderung der Frequenz ist (eine Frequenz, die akzeptabel war, aber latent war , wird aktuell). Trotzdem wollen wir diesen Fall der Einfachheit halber c) nennen.

Ich möchte auch klarstellen, was Fall b) in meiner Frage bedeutet: Es bedeutet, dass ein Schwingungsmodus bei f1 existierte und (wegen eines Photons, das bei f2 - f1 schwingt) dieser Modus f1 verschwindet und einem Modus f2 Platz macht.

@EmilioPisanty Der verwandte Thread ist zu fortgeschritten, als dass ich ihm folgen könnte, aber ... da Sie dort zugeben, dass in einigen Fällen eine Schwingungsladung im Atom vorhanden sein kann, bedeutet das, dass Sie Antwort a) bevorzugen würden?

Antworten (2)

Die richtige Antwort ist b).

"Vibrieren" ist nicht das Wort, das ich für einen stationären Zustand verwenden würde, aber diese Zustände haben Phasenfaktoren e − ich E N T / ℏ .

Überlagerungen von Eigenzuständen mit unterschiedlicher Parität haben eine Ladungsdichteverteilung, die mit einer Frequenz oszilliert, die durch die Energiedifferenz gegeben ist. Hier eine Animation eines Teilchens in einer Box in einer Überlagerung des Grundzustands und des ersten angeregten Zustands. Es strahlt oder absorbiert also Strahlung von einem oszillierenden elektrischen Feld mit dieser Frequenz.

Danke, aber ich bin mir nicht sicher, ob ich dir folgen kann. Wie widerlegt Ihre Antwort a)? Sie sprechen von einer internen Frequenz und einer externen Frequenz, die mit der internen übereinstimmen muss. Theoretisch könnte man meinen, dass dies dazu führt, dass das „Innere“ diese Frequenz beibehält, aber breiter schwingt als im klassischen Modell. Meinen Sie wirklich, dass das Ergebnis stattdessen eine Frequenzerhöhung des "Inneren" ist? was meinte ich mit b)?
Tatsächlich stimmen die Beschreibung, die er gibt, und insbesondere die Animation, auf die er verweist, viel mehr mit (a) überein als mit (b). Wenn Sie wissen, wie man die Gleichungen der ersten beiden stationären Zustände im Potentialtopf aufstellt, sollten Sie verstehen können, was die Animation tut. Und die Schwingung ist definitiv die Differenzfrequenz f2-f1.
@MartyGreen So könnte es aussehen N = 1 Und N = 2 in diesem Fall wird jedoch im Allgemeinen die Breite (Amplitude) der Wellenfunktion im unendlichen Quadrat nicht beeinflusst. Bei einem Atom- oder harmonischen Oszillator ist das natürlich anders.
@MartyGreen Meinst du, dass die Änderungen im Atom die Amplitude sind, wie in a), aber der Lichtreiz muss bei der Frequenzdifferenz zwischen den beiden Zuständen kommen, wie in b)?
Die Frequenzen f1 und f2, die aus der Mathematik hervorgehen, sind wirklich menschliche Artefakte, die keine physische Manifestation haben. Es ist die Differenzfrequenz, wo Dinge passieren. Ich habe eine Antwort gepostet, die mehr erklärt, als ich im Kommentarfeld kann.
Das ist ein guter Punkt von @MartyGreen. Wurden die (absoluten) Frequenzen, die den stationären Wellenlösungen der Schrödinger-Gleichung zugeordnet werden, jemals gemessen?

Es ist nun über hundert Jahre her, dass sich das Narrativ verfestigt hat: nämlich, dass das Photon das Elektron in eine höhere Umlaufbahn treibt, und anschließend das Elektron in den Grundzustand zurückfällt und ein Photon aussendet.

ES GIBT KEIN EXPERIMENT, DAS DIESE ERZÄHLUNG BESTÄTIGT. Niemand hat jemals ein Photon auf ein isoliertes Wasserstoffatom geschossen. Niemand hat je gesehen, wie das Atom in den angeregten Zustand springt. Niemand hat je gesehen, wie das Atom in den Grundzustand zurückfällt. Und niemand hat jemals gesehen oder gemessen, wie das neue Photon weggeht.

Folgendes sagt uns die Quantenmechanik. Wenn Sie die Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom in Gegenwart eines elektrischen Felds mithilfe der Störungstheorie lösen, stellen Sie fest, dass der Grundzustand ein Dipolmoment hat, das sich am einfachsten als Überlagerung des 1s-Zustands und des 2p-Zustands annähern lässt. Bringt man dann das elektrische Feld zum Schwingen, folgt der Grundzustand der Schwingung.

Es wird eine Zeitverzögerung geben, und im Allgemeinen wird die Oszillation des Dipolmoments sehr gering sein. Aber bei bestimmten Frequenzen kann die Schwingung ziemlich stark werden. Insbesondere das Wasserstoffatom schwingt ziemlich stark bei der Differenzfrequenz von 1s- und 2p-Zuständen.

Wenn also das ganze System in eine Kiste gesteckt wird … das Wasserstoffatom und das oszillierende elektrische Feld … ist der effektive Grundzustand das oszillierende Wasserstoffatom, das im oszillierenden elektrischen Feld sitzt. Wenn Sie das Feld bei kleinen Feldern verdoppeln, schwingt das Wasserstoffatom doppelt so stark. Wenn Sie das Feld halbieren, sinkt die Schwingung um die Hälfte.

ES GIBT KEIN MINDESTFELD UND KEINE MINDESTSCHWINGUNG. Treibt man das Atom ganz kurz mit einem sehr schwachen Schwingfeld an, schwingt das Atom ein wenig und beruhigt sich dann wieder. Genauso, als würde man kurzzeitig eine Empfangsantenne mit einer Funkwelle ansteuern. Und genau wie eine Empfangsantenne fungiert es während der Zeit, in der das Atom schwingt, auch als Sendeantenne und gibt Strahlung in dem klassischen Donut-Muster ab, das Studenten der elektromagnetischen Theorie vertraut ist.

Es gibt keinen Unterschied zwischen dem Wasserstoffatom und der Radioantenne. Es schwingt, wenn es von einem oszillierenden Feld angetrieben wird, und gibt während dieser Zeit Energie ab. Es sind keine minimalen „Energiequanten“ erforderlich, um die Schwingung auszulösen, und keine minimalen „Energiequanten“, die gestreut werden.

Es gibt absolut keinen experimentellen Weg, um die Standarderzählung (mit ihren Photonen und Quantensprüngen) von dem einfachen (und ehrlich gesagt offensichtlichen) Mechanismus zu unterscheiden, den ich hier erklärt habe

Nun, da sind die Sprünge im Telegrafensignal von einzelnen Atomen.
@Pieter - Meinst du die Telegrafensignale im Zusammenhang mit der Besetzung von Fallen in Halbleitergeräten? Diese beziehen sich normalerweise nicht auf Photonenabsorption oder -emission.
@freecharly Nein, ich habe an Lichtemission in Atomfallen gedacht. Ich bevorzuge oft klassische Beschreibungen, aber es gibt viele Phänomene, bei denen das nicht wirklich funktioniert. Es gibt eine schöne Analogie zur Ladung in Fallen in Materialien, wo Telegraphensignale zeigen, dass die Ladung quantisiert ist.
Die Existenz des Wasserstoff-Emissionsspektrums mit quantisierten Emissionslinien ist ein Experiment, das diese Erzählung bestätigt. Das bestätigt auch die Tatsache, dass jeder einzelne von uns betrachtete Stern quantisierte Kerben in seinem Spektrum aufweist. ( spiff.rit.edu/classes/phys301/lectures/spec_lines/… ). Außerdem haben wir einzelne Photonen auf einzelne Atome geschossen und die übliche Erzählung bestätigt. Wir haben dies tatsächlich verwendet, um Einzelphotonenquellen aus einzelnen Atomen zu erstellen ( iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/11/10/103004/meta ).
Nein. Die Diskretheit der Emissionsspektren sagt absolut nichts über die Wellen/Teilchen-Problematik aus. Die Schrödinger-Gleichung des Atoms ist vollständig für die Diskretheit des Spektrums verantwortlich und hat nichts mit der Teilchen- oder Wellennatur des Lichts zu tun.
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