Fallen angeregte Elektronen in denselben Quantenzustand zurück?

Was passiert mit diesem Photon, nachdem es absorbiert/verwendet wurde? Wird es Teil des Elektrons oder geht es weiter?

Das beste Modell der fundamentalen Physik, das wir haben, das Standardmodell, ist ein Quantenfeldmodell. Dabei werden Teilchen durch die Wechselwirkungsterme an einem sogenannten Fundamentalknoten erzeugt und zerstört .

Einfach ausgedrückt hört das „absorbierte“ Photon auf zu existieren; es ist zerstört.

Wenn das Elektron nach unten fällt, muss es dann auf das Energieniveau E1 zurückfallen oder kann es auf ein anderes Energieniveau fallen? Muss es relativ zum Energieniveau des Photons zurückfallen, das es ursprünglich angeregt hat?

Wenn es neben E1 keine anderen niedrigeren Energiezustände gibt, in die man fallen kann, fällt es auf E1. Wenn es andere unbesetzte Energiezustände gibt, in die man fallen kann, kann es in einen von ihnen fallen.

Woher kommt das emittierte Photon?

Es entsteht durch die Wechselwirkung des Elektronenfeldes und des Photonenfeldes. In der QED, der Quantenfeldtheorie der Elektrodynamik, gibt es einen grundlegenden Scheitelpunkt, an dem bei einem Raumzeitereignis Elektronen, Positronen und Photonen erzeugt und/oder zerstört werden:

Mir ist klar, dass diese Antwort wahrscheinlich nur zu mehr Kopfkratzen und weiteren Fragen führen wird. Willkommen zur seltsamen Theorie von Licht und Materie .

All diese Fragen gipfeln in demselben Punkt: Man braucht eine Quantentheorie für die elektromagnetische Wechselwirkung

Warum brauchen Sie das:

1) Sie müssen in der Lage sein zu verstehen, was es bedeutet, ein Photon zu absorbieren/emittieren. Nach meinem derzeitigen Verständnis haben Sie die Erzeugung/Zerstörung des Photons, das an diesem Prozess beteiligt ist, und daher müssen Sie in der Lage sein, mit Situationen umzugehen, in denen Sie eine dynamische Erzeugung und Zerstörung von Teilchen haben, was die traditionelle Quantenmechanik nicht kann mit.

2) Wenn Sie an QM glauben und glauben, dass die Energieniveaus des Atoms wahre Eigenzustände des Systems sind, macht es keinen Sinn, sie nach einiger Zeit zerfallen zu lassen.

Also, um zu deinen Fragen zu kommen:

1+3) Soweit ich die Quantenfeldtheorie verstanden habe, verschwindet das Photon, nachdem es vom Elektron absorbiert wurde. Das Elektron ändert seinen Zustand, aber es „ändert seine Natur“ nicht, indem es das Photon „einschließt“. Das Photon wird also nicht Teil des Elektrons in dem Sinne, wie ein Elektron „Teil eines Atoms wird“, wenn es von einem Ion eingefangen wird.

Im Fall der „teilweisen Absorption“, dh Sie haben sowohl ein einfallendes als auch ein austretendes Photon, sagen wir, dass es das Atom anregt und dann weitergeht, aber ich glaube, das ist nicht Ihre Frage.

2+3) Es besteht keine Notwendigkeit, auf genau die gleiche Ebene wie zuvor zurückzukehren, es hängt alles davon ab, auf welche Ebenen es gehen kann, was, da wir von spontaner Emission sprechen, eine Ebene niedrigerer Energie sein muss .

Wenn das System eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null hat, von E2 zu E1+Photon überzugehen, müssen Sie die Amplitude dieses Übergangs berechnen. Sie können je nach Fall einen Übergang haben oder nicht, zumindest kann es viel schwieriger sein, selbst wenn er auftritt, als beispielsweise zu einem E1'. Dies liegt an sogenannten „Auswahlregeln“.

Aber Sie kratzen sich immer noch am Hinterkopf und fragen: "Wo zum Teufel kommt dieses Photon her?", glauben Sie mir, ich habe diese Frage selbst oft gestellt (und stelle sie immer noch). Das physische Bild, das ich erstellen konnte, sieht ungefähr so ​​​​aus:

1) Sie haben quantenelektromagnetische Felder, dh Sie „etwas“, das den gesamten Raum durchdringt und „dessen“ Anregungen wir als Licht und elektromagnetische Wechselwirkung identifizieren. Als solches ist ein Photon fast wie eine Meereswelle, wobei das Medium das quantenelektromagnetische Feld ist. Sie haben auch ein elektronisches Feld, das Elektronen (und Positronen) erzeugt, obwohl es nicht so einfach ist, es anzuregen wie das elektromagnetische Feld.

2) Als gutes Quantenfeld haben Sie das „Heisenberg-Unsicherheitsprinzip“, das Sie nervt, und was es tut, ist, eine „Nullpunkt-EM-Feldfluktuation“ zu erzeugen, was bedeutet, dass Sie immer ein EM-Feld ungleich Null haben, es ist nur so ist klein.

3) Das Elektron „fühlt“ diese EM-Fluktuation und erleidet dadurch eine stimulierte Emission, aber da Sie selbst kein Feld anlegen, nennen Sie dies eine spontane Emission, wenn es tatsächlich stimuliert wird, aber durch ein Feld das ist die ganze zeit da.

4) Dieses Elektron, wenn es das EM-Feld „fühlt“, beschleunigt und „stößt“ dann im Gegenzug an dem EM an, wodurch im Gegenzug eine weitere Anregung erzeugt wird, die wir als das emittierte Photon identifizieren. Sie „erzeugen“ also das Photon auf „ähnliche“ Weise wie Sie eine Meeres- oder Schallwelle erzeugen: Sie „stoßen“ auf das „Medium“ und geben dieser Veränderung auf dem „Medium“ einen Namen.

Für all das wird Sie darauf hinweisen, dass Sie kein "echtes Medium" haben: Ich versuche, ein klassisches Bild zu vermitteln, das sowohl von meiner Arbeit mit der Strömungsmechanik als auch von meinem Wissen über die Quantenfeldtheorie (was nicht viel ist) inspiriert ist. Obwohl es sich um ein klassisches Bild handelt, glaube ich, dass ich nichts grob Falsches geschrieben habe, und wenn doch, korrigiere mich bitte.