Brauchen Elektronen bestimmte Energien, um Elektronen anzuregen?

Photonen benötigen bestimmte Energieniveaus, die der Differenz zwischen zwei Energieniveaus entsprechen, um ein Elektron in einem Atom anzuregen. Gilt das auch für Elektronen, die mit Atomen kollidieren?

Kurz gesagt: ja. Die zur Anregung eines Elektrons benötigte Energie ist unabhängig von der Art der Anregung, sei es die Absorption eines Photons oder die Absorption (eines Teils) der kinetischen Energie eines anderen Elektrons (die man sich als Übertragung mittels eines virtuellen Photons vorstellen kann). .
Ich frage, weil ich eine A-Level-Physikarbeit mache, in der es heißt, dass ein Elektron mit einem Atom kollidiert, eines der Elektronen anregt und der KE des Elektrons vor 9 eV und nach der Kollision 1 eV beträgt. Dies schien einfach dem zu widersprechen, was ich über kollidierende Photonen gelernt habe, die Energien benötigen, die gleich den Unterschieden zwischen den diskreten Energieniveaus des Atoms sind. Wenn es bei Elektronen genauso ist, müssten dann nicht alle Elektronen KE absorbiert werden?
Nein, der wichtige Unterschied ist folgender: Im Falle des Photons wird das Photon absorbiert (denken Sie daran, dass ein Photon wirklich nur ein Energiepaket ist). Im Gegensatz dazu interagieren im Fall des Elektrons das "freie" Elektron und das gebundene, und aufgrund dieser Wechselwirkung verliert das "freie" etwas Energie, während das gebundene etwas Energie gewinnt (idealerweise die gleiche Menge, die durch das " frei' eins). Da das „freie“ Elektron eine beliebige kontinuierliche Menge an KE haben kann, braucht es nur mindestens die Menge, die notwendig ist, um das gebundene Elektron anzuregen, um es tatsächlich anzuregen.
@Wouter remember that a photon is really just a packet of energy- das stimmt nicht, ein Photon ist ein vollwertiges Teilchen. Nur absorbiert sein einziger Wechselwirkungspunkt Photonen - eine rein elektromagnetische Tatsache. Und es könnte sofort ein weiteres Photon emittiert werden, wie bei der Lichtstreuung an einem freien Elektron oder bei der Lichtausbreitung durch brechende Medien. Warum Atome an solchen Prozessen nicht beteiligt sind, hat etwas mit Auswahlregeln zu tun.
@firtree Ich stimme zu, dass es normalerweise als gültiges Elementarteilchen angesehen wird. Aber in Anbetracht einiger möglicher Probleme mit dem Photon als Elementarteilchen (z. B. Lorentzinvarianz: verschiedene Beobachter sind sich nicht unbedingt über die Anzahl der Photonen einig; eine Manifestation davon ist der Unruh-Effekt ), bin ich zum Original (Einstein ) zurückgekehrt Interpretation des Photons als Energiepaket, das vom EM-Feld auf das Teilchen übertragen wird, was sowieso der wichtige Aspekt in dieser Geschichte ist.
@Wouter Diese Probleme sind überhaupt nicht spezifisch für die Photonen. Sie sind die wesentlichen Merkmale der QFT selbst und sie würden alle Quantenteilchen begleiten (unter Berücksichtigung der Produktionsschwelle). Das ist die Welt, in der wir leben, es gibt keine Möglichkeit, dem zu entkommen, indem man die Augen schließt und sagt, dass nur Photonen etwas Besonderes sind. Die Einstein-Interpretation ist als unvollständig bekannt und Sie sollten von der vollständigen QFT-Interpretation ausgehen.
@firtree Ich weiß, dass die Anzahl der Teilchen in QFT nicht unbedingt festgelegt ist, aber ich hatte eine Diskussion mit meinem QFT-Professor über die „Existenz“ von Photonen als tatsächliche Elementarteilchen, und er erzählte mir von dieser Funktion, die offensichtlich nur Photonen betraf. Auf jeden Fall gibt es Probleme mit QFT im Allgemeinen, also werde ich es definitiv nicht einfach blind als Realität hinnehmen. (Ich sage nicht, dass ich es völlig ignorieren möchte, das wäre nur idiotisch, bleibe einfach immer kritisch.) Mein Professor war sich jedoch nicht sicher, wie streng seine Behauptung ist, also ist es vielleicht mehr Philosophie als Physik.
@Wouter Entweder hast du ihn falsch verstanden oder er hat einen Fehler gemacht. Diese Merkmale betreffen alle QFT-Partikel. Es ist nur so, dass das Photon das einzige freie Teilchen mit einer Produktionsschwelle von Null ist (ohne Berücksichtigung von Neutrinos, Gluonen und Gravitonen), und die physikalisch realistischste Betrachtung den Fall niedriger Energie betrifft, daher werden normalerweise nur Photonen erwähnt . Aber für die extrem großen Beschleunigungen (einer Größenordnung M e und mehr) oder für die letzten Momente des verdampfenden Schwarzen Lochs würde die Schwelle ungleich Null trotzdem überschritten werden, und Sie würden andere Teilchen beobachten, die das gleiche Verhalten zeigen.
@Wouter Und das hat nichts mit den 'Problemen mit QFT allgemein' zu tun. Es wird gezeigt, dass die QFT in diesem Bereich, der als Baumebene oder allgemeiner als Low-Loop-Ebene der Störungstheorie bekannt ist, rigoros ist.
@firtree Sehr wahrscheinlich. Sollte dies tatsächlich der Fall sein, bin ich korrigiert. Übrigens bezog ich mich nicht auf dieses spezielle Problem, als ich sagte, dass ich QFT nicht blind als Realität akzeptieren werde. Die Theorie insgesamt ist unbefriedigend.

Antworten (1)

Energie und Impuls müssen erhalten bleiben. Dass das Elektron / Photon genügend Energie für die Anregung haben muss, liegt auf der Hand. Interessant ist, was passiert, wenn sie zu viel Energie haben.

Für strahlende Übergänge zwischen gebundenen Zuständen muss sich der Orbitalwinkelimpuls um 1 ändern. Dies bedeutet, dass das Photon absorbiert werden muss, was wiederum bedeutet, dass das Photon genau die richtige Energie haben muss (andernfalls kann die zusätzliche Energie nirgendwohin gehen). Für Übergänge zu ungebundenen Zuständen (also Atom wird oxidiert) gilt dies nicht mehr. Aus einem Photon mit 9 eV Energie könnte sehr wohl ein oxidiertes Atom und ein 1 eV Photon entstehen.

Elektronen können leichter Impuls wegnehmen (und geben), so dass sie nur genug Energie für den Übergang benötigen. Da das Elektron nicht absorbiert wird, kann es zusätzliche Energie wegnehmen, wenn es zu viel hat.

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