Durch welchen Mechanismus wird ein Photon bei atomaren Elektronenzustandsübergängen emittiert oder absorbiert?

Ich verstehe Atomemissions- und Absorptionsspektren gut - Photonen einer bestimmten Energie können von Atomen emittiert oder absorbiert werden, wenn diese Energie genau der Energiedifferenz zwischen zwei Zuständen des Elektrons des Atoms entspricht - aber ich verstehe nicht ganz, wie das Photonen werden während dieses Übergangs absorbiert und emittiert. Welcher Prozess oder Mechanismus liegt diesem Phänomen zugrunde?

Für Emission : Hat es etwas damit zu tun, dass das Elektron während des Übergangs beschleunigt wird und das beschleunigende Elektron ein Photon ausstrahlt? Wenn ja, ist dieser Prozess zufällig? Was würde bewirken, dass das Elektron plötzlich Energieniveaus abfällt? Woher kommt die Kraft/der Antrieb für diese Beschleunigung?

Zur Absorption : Üben die elektrischen und magnetischen Felder des Photons eine Kraft auf das Elektron aus, wenn es mit dem Atom wechselwirkt? Wenn ja, warum üben Photonen mit nur einer Energie diese Kraft aus und alle anderen haben keine Wirkung auf das Atom?

Die Art, wie Sie die Frage stellen, ist die falsche Art, über diese Dinge nachzudenken. Sie müssen die Vorstellung eines Elektrons als Kugel aufgeben und erkennen, dass gebundene Zustände ausgedehnte Objekte mit weder einem wohldefinierten Ort noch einem wohldefinierten Impuls sind. Während Sie in klassischen Begriffen mit Trajektorien und Positionen und so weiter denken, können Sie nicht näher kommen als vage, irgendwie, irgendwie richtig.
Okay, zugegeben. Aber die Frage bleibt: Durch welche Kraft oder Wechselwirkung bewirkt ein Photon eine Änderung des Energiezustands des Elektrons und wird absorbiert, oder durch welche Kraft oder Wechselwirkung emittiert das Elektron ein Photon in wechselnden Energiezuständen?
Alle Antworten hier sind extrem irreführend, weil sie meist aus der Richtung klassischer Phänomene gehen. Die Frage lautet: "Woher kommen diese Lichtquanten als Teilchen", etwa "Sind sie im Wahrscheinlichkeits-"Feld" aller möglichen Permutationen von Frequenzen im Vakuum, das das Elektron umgibt, vorhanden? Beachten Sie, dass das EM-Feld ein FLUSS ist von Teilchen (Photonen) mit unterschiedlichen Frequenzen.

Antworten (4)

Weder das Photon noch das Elektron sind klassische Teilchen und es gibt kein Newtonsches Bild des Prozesses. Stattdessen muss man sich relativistische Felder vorstellen, die die Wahrscheinlichkeiten beschreiben, Photonen und Elektronen in verschiedenen Raumzeitpunkten zu entdecken. Vor der Absorption gibt es eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, das Photon zu detektieren, und die Wahrscheinlichkeiten des Elektronenfelds sind ungefähr die, die von der Schrödinger-Gleichung für den Niedrigenergiezustand des Atoms vorhergesagt werden. Nach dem Übergang ist die Wahrscheinlichkeit, das Photon zu detektieren, größtenteils verschwunden und die Elektronenverteilung befindet sich nun in einem höheren Zustand.

Auch bei diesem Bild muss man sehr vorsichtig sein, da man an diesem System keine Dauermessungen durchführen kann, ohne es zu stören. Was diese Verteilungen wirklich bedeuten, ist, dass wir ein Photon präparieren und dann entweder am Photon oder am Elektron eine Messung durchführen. Wir wiederholen dieses Experiment viele Male und zeichnen dann die Wahrscheinlichkeitsverteilung als Funktion der Zeit auf. Dies müsste aufgrund der Art und Weise, wie die Teile des Quantensystems interagieren, ein mehrdimensionales Diagramm sein. Leider sind die Menschen nicht sehr gut darin, die feineren Details solcher multidimensionaler Phänomene zu erkennen. Wann immer wir über diese Wahrscheinlichkeitsverteilungen sprechen und Bilder in Büchern zeigen, wurde das Problem für unsere eigene Bequemlichkeit bereits stark vereinfacht.

Das nicht-newtonsche Bild lässt immer noch Raum für Kräfte und Wechselwirkungen, oder? Durch welche Kraft oder Wechselwirkung tritt das Photon bei Emission und Absorption mit dem Elektron in Wechselwirkung? Welche Wechselwirkung zwischen dem Photon und dem Elektron erklärt eine Nicht-Null-Wahrscheinlichkeit, das Photon vorher zu entdecken, und eine infinitesimale Wahrscheinlichkeit, das Photon danach zu entdecken, zusammen mit der Änderung des Energiezustands der Elektronen? Oder sind wir selbstzufrieden damit, einfach zu sagen: „Die Wahrscheinlichkeitsverteilung hat sich geändert, und wir wissen nicht, was in der Zwischenzeit passiert ist“?
@DW: Nein, weder Kräfte noch Beschleunigungen machen in der Quantenmechanik Sinn. Das sind makroskopische Größen, die sich als thermodynamische Mittelwerte über die Dynamik von Quantensystemen ableiten lassen, aber wenn es um Atome und ihre Kopplung an elektromagnetische Felder geht, dann machen diese klassischen Beschreibungen keinen Sinn. Es gibt natürlich eine dynamische Gleichung, die die Änderung dieser Felder als Funktion der Zeit beschreibt und die sogar eine sehr tiefe strukturelle Verbindung zu den Gleichungen der klassischen Physik hat, aber man gewinnt daraus keine Kräfte, sondern sogenannte Ströme.
Was ist diese dynamische Gleichung? Die Dirac-Gleichung? Und wie ermöglicht die Kopplung des gebundenen Elektrons an das elektromagnetische Feld, dass das System von einer "Photonenerkennungswahrscheinlichkeit ungleich Null und einem Elektron in einem Zustand" zu einer "unendlich kleinen Photonenerkennungswahrscheinlichkeit und einem Elektron in einem anderen Zustand" übergeht "? Oder umgekehrt? Der „Strom“ aus den Zustandsänderungen des Elektrons erzeugt eine Änderung des elektromagnetischen Feldes?
@DW: Für atomare Systeme würden Sie die Gleichungen der Quantenelektrodynamik verwenden, die (inhomogene) Dirac-Gleichung ist ein Teil davon (für die Elektronen), der andere Teil ist für die Beschreibung des elektromagnetischen Feldes. Man muss sich auch für ein bestimmtes Messgerät entscheiden, glaube ich, aber man fragt besser einen theoretischen Physiker, um die Details zu erklären, ich habe selbst noch nie mit diesen Gleichungen gearbeitet. Die Ströme stammen aus der Ladungserhaltung und die gesamte Form der Gleichung lässt sich aus Symmetrieüberlegungen und der Notwendigkeit ableiten, EM-Felder in der klassischen Grenze wiederzuentdecken.
@DW: Die Nachweiswahrscheinlichkeit für das Photon "nach" der Wechselwirkung ist endlich. Der angeregte Zustand hat eine endliche Lebensdauer, was bedeutet, dass es (außer vielleicht für unendlich kurze Momente) immer eine endliche Wahrscheinlichkeit gibt, eine ausgehende Photonenverteilung zu erhalten. Technisch geschieht dies alles auch bei einer endlichen Temperatur (der dritte Hauptsatz der Thermodynamik gilt immer noch!), sodass man eigentlich die Dichtematrix des Systems für endliches T betrachten müsste, anstatt nur die T = 0-Feldgleichungen. Darüber hinaus beschreiben die Gleichungen auch stimulierte Emission.
Vielen Dank, es ist schwer, über das Nicht-Wahrscheinlichkeitsbild hinwegzukommen. Vor allem, wenn das Bild des Photons als kontinuierlich oszillierendes elektromagnetisches Feld so allgemein propagiert wird. Es ist schwer, sich das Photon als eine Anregung in einem Feld vorzustellen, in dem es falsch ist, es als "reisend" von einem Punkt zum anderen zu betrachten, auch wenn Sie es an diesem einen Punkt und dann am anderen erkennen können, ist schwer zu tun verfestigen.

Der Wechselwirkungsmechanismus ist sehr ähnlich wie eine Funkwelle, die mit einer Antenne interagiert. Das „Photon“ äußert sich in Schwingungen des elektrischen Feldes, die das Elektron wie eine Masse auf einer Feder antreiben. Die Schwingungsfrequenz ergibt sich aus der Differenz zwischen Anfangszustand und angeregtem Zustand, und Sie können die oszillierende Ladungsbewegung verfolgen, indem Sie die Überlagerung der beiden Zustände berechnen.

Das schwingende Elektron strahlt wie jede andere Antenne elektromagnetische Energie ab. Aufgrund der Wechselwirkung der gleichphasigen Natur des abgestrahlten Feldes mit dem einfallenden Feld gibt es anfänglich tatsächlich eine Nettoabsorption von Energie; aber schließlich verschwindet das einfallende Feld und das Atomsystem schwingt dann einfach weiter und strahlt jegliche Restenergie wieder ab, bis es in den Grundzustand zurückkehrt.

Sie können dieses System auch in Bezug auf "Photonen" analysieren, indem Sie etwas namens "Fermi's Golden Rule" verwenden, aber es kommt alles zu genau demselben Ergebnis in Bezug auf das, was Sie tatsächlich messen können ... die Menge an gestreuter Strahlung als Funktion der Ereignisfeld.

HAFTUNGSAUSSCHLUSS: Ich bin ein anerkannter Spinner, dessen Meinungen von den Experten in diesem Forum, die viel mehr wissen als ich, routinemäßig und massiv herabgestimmt werden.

Was Sie über die Antenne sagen, ist vollkommen richtig. Ich habe eine Seite gefunden, die dies für jeden Dipolübergang in einem Wasserstoffatom schön veranschaulicht: falstad.com/qmatomrad
Danke, AP. Es ist überraschend, wie schwer es ist, solche Applets zu finden. Ich habe vor Jahren einen gefunden, aber dann ging er kaputt und ich konnte keinen anderen finden. Die oszillierende Ladung ist eine offensichtliche Folge der Überlagerung von Wellenfunktionen, aber niemand will zugeben, dass sie Ihnen alle korrekten Eigenschaften des Wasserstoffatoms liefert, indem Sie einfach die Maxwell-Gleichungen anwenden.

Natürlich hat CuriousOne völlig recht

„Weder das Photon noch das Elektron sind klassische Teilchen und es gibt kein Newtonsches Bild des Prozesses. Stattdessen muss man sich relativistische Felder vorstellen, die die Wahrscheinlichkeiten beschreiben, Photonen und Elektronen in verschiedenen Raumzeitpunkten nachzuweisen. Vor der Absorption gibt es eine Nicht-Null.“ Wahrscheinlichkeit, das Photon zu entdecken, und die Wahrscheinlichkeiten des Elektronenfelds sind ungefähr die, die von der Schrödinger-Gleichung für den Niedrigenergiezustand des Atoms vorhergesagt werden.Nach dem Übergang ist die Wahrscheinlichkeit, das Photon zu entdecken, größtenteils verschwunden und die Elektronenverteilung ist jetzt höher Zustand."

Allerdings würde ich Ihre Frage gerne etwas genauer interpretieren

„Zur Absorption: Üben die elektrischen und magnetischen Felder des Photons eine Kraft auf das Elektron aus, wenn es mit dem Atom wechselwirkt? Wenn ja, warum üben Photonen mit nur einer Energie diese Kraft aus und alle anderen haben keine Wirkung auf das Atom? "

Und lassen Sie es mich so interpretieren, wie Sie fragen würden, ob das Photon das Elektron oder das Atom überhaupt praktisch „bewegen“ kann.

Es gibt nur ein paar Dinge, die ich hinzufügen möchte.

  1. Obwohl CuriousOne völlig Recht hat und wir QM verwenden müssen, um die Absorption zu verstehen, ist es eine Tatsache, dass EM-Wellen eine Wirkung auf die Oberfläche haben, auf die sie „treffen“.

  2. Und die Antwort auf die Frage lautet ja, sie könnten sich „bewegen“ (aber nicht das Elektron), sondern nur das gesamte Atom oder Objekt, das sie „treffen“.

  3. Die EM-Welle „trifft“ auf die Oberfläche, wir nennen dies „Druck ausüben“.

Referenz: https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure

  1. Sie können QM verwenden und sagen, dass der Gesamtimpuls des Systems erhalten bleiben muss, damit der Impuls des Photons auf das höhere Energieniveau des Elektrons übertragen wird.

  2. Bitte beachten Sie, dass Sie, wie CuriousOne richtig gesagt hat, dies nicht als Beschleunigung des absorbierenden Elektrons sehen können. Tatsächlich „bewegt“ sich das Elektron auf einer „höheren“ Umlaufbahn langsamer. Aber sein Gesamtenergieniveau wird angehoben, und das schließt jetzt den umgewandelten Impuls des Photons ein. (Aber wenn der Impuls des Elektrons "kleiner" wird, wie kann dann sein Energieniveau höher sein? Aus klassischer Sicht ist sein potenzielles Energieniveau auf einer höheren Umlaufbahn höher.)

  3. Das einzige, was Sie sich als beschleunigt vorstellen können, ist das ganze Atom oder das ganze Objekt, auf das die EM-Welle Druck ausübte.

Die Frage lautet: "Durch welchen Mechanismus wird ein Photon bei atomaren Elektronenzustandsübergängen emittiert oder absorbiert?"

Die richtige Antwort ist, dass wir keine Ahnung vom MECHANISMUS haben.

Wir haben statistische Gleichungen, die die Wahrscheinlichkeit beschreiben, das sind GROSS-Messungen. Das ist wie bei einer Volkszählung, die feststellt, dass es eine Wahrscheinlichkeit von 2 % gibt, dass ein Haus an einem bestimmten Ort eine Person mit roten Haaren hat. Es gibt Ihnen keinen Einblick, wie eine Person rote Haare bekommen hat (Genetik, Haarfärbemittel, Perücke?).

Durch welchen Mechanismus wird ein Photon bei atomaren Elektronenzustandsübergängen emittiert oder absorbiert?
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