In der klassischen Welt muss eine Funkantenne, die für den Betrieb bei einer bestimmten Wellenlänge ausgelegt ist, nahezu die gleiche Größe wie die Wellenlänge haben – typischerweise innerhalb von etwa einer Größenordnung. Andernfalls funktioniert die Antenne nicht effizient. Intuitiv könnte man sich vorstellen, dass niederenergetische Photonen „zu groß“ sind, um von einer kleinen Antenne absorbiert zu werden, und einfach passieren würden. (Zugegeben, dieses Argument ist ziemlich irreführend und sollte nicht zu ernst genommen werden.)
Diese Einschränkung gilt nicht für Atome. Ein typisches Atomorbital könnte eine charakteristische Längenskala von einigen Ångström haben, doch Atome absorbieren und strahlen oft Photonen mit Wellenlängen von bis zu einigen hundert Nanometern ab. Für ihre Größe können atomare „Antennen“ überraschend effizient sein. Beispielsweise kann ein einzelnes Atom bei sorgfältiger Versuchsplanung bis zu 3 % eines einfallenden Laserstrahls blockieren.
Der Vergleich dieser beiden Fälle motiviert mich, mich zu fragen, was auf mittleren Skalen passiert. In einem einzelnen Atom sind Energieniveaus mit großen Übergangswahrscheinlichkeiten normalerweise durch vielleicht ein eV (plus oder minus ein paar Größenordnungen) getrennt. Daher haben Atomspektren in diesem Bereich ihre stärksten Absorptionslinien. Moleküle mittlerer Größe können jedoch viele Energieniveaus haben, die durch Milli- oder Mikro-eV getrennt sind. Ist es möglich, dass es elektrisch kleine Moleküle gibt, die Mikrowellen oder niederfrequentere Radiowellen mit atomähnlicher Effizienz absorbieren und emittieren? Wenn ja, wie würden diese Moleküle aussehen?
Um die Frage noch einen Schritt weiter zu führen: Wäre es in Analogie zur Chemilumineszenz theoretisch möglich, eine chemische Reaktion zu konstruieren, die eine große Menge niederfrequenter Radiowellen aus einem kleinen Kolben erzeugt?
Mir ist bekannt, dass einige polare Moleküle wie Trifluoriodmethan Rotationsspektren haben, die bis in den Mikrowellenbereich reichen. Außerdem sind Hyperfeinübergänge sehr energiearme Prozesse. Allerdings ist der "Antennenwirkungsgrad" dieser Systeme meines Wissens typischerweise sehr gering. (Wenn das falsch ist, würde ich mich über eine Korrektur freuen.)
Ja, Atome und Moleküle können Radiowellen absorbieren oder streuen, wenn sie in sehr hohe Quantenzustände angeregt werden (sog. „Rydberg-Zustände“; siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_atom ). Diese Zustände entstehen beispielsweise durch Rekombination von Ionen und Elektronen in einem Plasma. Die Atomdichte in diesen Zuständen ist sehr klein, aber der Absorptions- und Resonanzwirkungsquerschnitt ist sehr groß, da er mit der Quantenzahl n stark ansteigt (~n 2,4 für Absorption/Ionisation und ~n 4für Resonanzstreuung). Bei einer ausreichend langen optischen Weglänge könnten Funkwellen auf diese Weise vollständig absorbiert oder gestreut werden. Die spontane Radioemission solcher hochangeregter Rydberg-Zustände (mit n>100) ist auch aus astronomischen Beobachtungen gut bekannt (Radioemissionslinien aus HII-Regionen)
Ich habe vor einigen Jahren einen Artikel darüber in Radio Science veröffentlicht, der unter https://www.researchgate.net/publication/253543274_Scattering_of_radio_waves_by_high_atomic_Rydberg_states verfügbar ist (beachten Sie, dass dieser Artikel sehr lang ist, 100 Seiten umfasst und daher nicht vollständig veröffentlicht wurde Druck, aber nur eine summarische Version, wobei die Vollversion damals nur auf Mikrofiche veröffentlicht wurde; die oben verlinkte Researchgate-Version ist die Vollversion).
Zunächst einmal ist eine Radiowelle modulierte EM-Strahlung. Auf atomarer Ebene bedeutet dies, dass die Oberflächenelektronen auf dem Antennenstab hin und her beschleunigt werden.
Je niedriger die gewünschte Frequenz der Funkwelle ist, desto länger muss der Stab sein. Dadurch wird verhindert, dass die Elektronen am Ende des Stabes den Widerstand des gesamten Stabes zu schnell erhöhen.
Jedes Elektron bewegt sich nur wenig, behindert durch seine freie Weglänge, die klein ist. Aber in Summe beschleunigen viele Elektronen synchron in die gleiche Richtung und emittieren eine große Anzahl polarisierter Photonen. Haben diese Photonen Wellenlängen vergleichbar mit der Länge der Antenne? Gar nicht. Die Elektronen geben Strahlung von IR- bis Röntgenstrahlung ab.*)
Der Grund, warum Radiowellen die Luft durchdringen, ist der nächste. Die große Anzahl polarisierter Photonen setzt den stochastischen Prozess in Gasen außer Kraft. Ein einzelnes Photon wird sofort von den Molekülen des Gases absorbiert. Dasselbe passiert beim Empfänger. Die periodische Ankunft polarisierter Photonen (mit ihrer ausgerichteten elektrischen Feldkomponente) induziert eine Beschleunigung von Oberflächenelektronen in dem empfangenden leitenden Material. Dadurch kann die Empfangsantenne im Vergleich zur Sendeantenne sehr klein sein.
Über die Größe des Atoms und die Absorption von Photonen. Das Doppelspaltexperiment zeigt, dass der Abstand, in dem die Kante auf das Photon trifft, sehr groß ist im Vergleich zur Wellenlänge des Photons. Die Wirkungsquerschnitte beider Akteure sind groß. Damit stellt sich die Frage, wie groß der Aktionsradius der Wechselwirkung zwischen Elektron und Photon ist. Eine solche Funktion hat neben der Entfernung als zweite Komponente den Energiegehalt (bzw. die Wellenlänge bzw. die Frequenz) des Photons.*
Um die Frage noch einen Schritt weiter zu führen: Wäre es in Analogie zur Chemilumineszenz theoretisch möglich, eine chemische Reaktion zu konstruieren, die eine große Menge niederfrequenter Radiowellen aus einem kleinen Kolben erzeugt?
Ja. Mit modulierter EM-Strahlung ist dies möglich. Nur Licht aus einer thermischen Quelle zu verwenden, nein, das ist unmöglich.
*)
Das ist der eigentliche Grund, warum es nicht empfehlenswert ist, vor einem Radar zu bleiben. Die modulierte EM-Strahlung eines Radars beträgt beispielsweise 2 Gigahertz, während Röntgenstrahlen im Bereich von 30 Petahertz bis 30 Exahertz liegen.
**)
Vor einiger Zeit fragte ich auf PSE, was der ursprüngliche Vergleichsstandard zur Bestimmung der Wellenlänge oder Frequenz von sichtbarem Licht sei. Wie haben wir festgestellt, dass Rot eine Wellenlänge von 650 nm hat?
Atome und Moleküle sind in der Tat sehr klein, und bei der Berechnung ihrer Strahlungsabsorption geht man normalerweise davon aus, dass die elektrischen/magnetischen Felder homogen sind (selbst für blaues Licht ist die Wellenlänge von 400 nm viel größer als die Größe eines Atoms oder Moleküls). ).
Es gibt jedoch einen entscheidenden Unterschied zwischen der Energieaufnahme durch Atome/Moleküle und dem, was in der Antenne passiert. Die atomare/molekulare Absorption ist proportional zur Lichtintensität, dh sie ist unempfindlich gegenüber der Phase der Strahlung, während die Frequenz nur über die Absorptionsfrequenz, dh den Abstand zwischen den Energieniveaus, detektiert werden kann. Daher besteht die Hauptmethode zum Codieren von Informationen in der optischen Kommunikation darin, Licht auf binäre Weise ein- und auszuschalten. In der Radiosprache können wir es Amplitudenmodulation (AM) nennen.
Die Antenne hingegen wandelt EM-Strahlung in einen Strom mit der gleichen Frequenz und Phase wie die Strahlung um - es ist die Empfindlichkeit gegenüber der Phase der elektromagnetischen Welle, die durch eine lange Antenne erreicht wird (die tatsächliche Größe ist tatsächlich eine halbe Welle Länge statt der ganzen Wellenlänge). Dies ermöglicht eine effiziente Informationscodierung über Frequenz- und Phasenmodulation.
Update
Siehe auch diesen Thread zum Vergleich der Lichtabsorption durch Atome und Radioantenne.
Matt