Polarisation von Licht und atomare Anregung

Man kann nicht wirklich über die Beziehung zwischen angeregten Atomzuständen und einfallender Lichtpolarisation sprechen: Die Atomzustände sind, was sie sind, unabhängig vom einfallenden Licht. Unterschiedliche Übergänge zwischen atomaren Zuständen können jedoch Wahrscheinlichkeitsamplituden haben, die von der Polarisation des einfallenden Lichts abhängen: Es ist leicht zu erkennen, dass die Elektronen in einer molekularen Bindung stärker mit einem auf die Bindung ausgerichteten elektrischen Feld wechselwirken.

Wenn Sie über einfallendes Licht sprechen, das eine Photonenemission provoziert, dann ist das stimulierte Emission, und grundlegende Symmetrieüberlegungen zeigen, dass die Polarisation des emittierten Lichts mit der des einfallenden Lichts ausgerichtet sein muss. Siehe die Wikipedia-Seite über stimulierte Emission und auch die Hyperphysik-Seiten zu denselben Themen und auch zu den Einstein-A- und -B-Koeffizienten.

Um darüber nachzudenken, was passiert, wenn Licht Atome/Moleküle in angeregte Zustände versetzt und die Atome/Moleküle irgendwann danach spontan Licht emittieren, wendet man die Prinzipien der Erhaltung von Energie, Impuls und Drehimpuls auf das System Licht/Atom/Umgebung als a an ganz . Bei Polarisationsbeziehungen geht es um die Erhaltung des Drehimpulses . Um diese letzte Aussage zu verstehen, siehe zum Beispiel das Kapitel „Winkelmomentum“ im dritten Band der „Feynman-Vorlesungen über Physik“. Was bedeutet das praktisch? Wir denken an drei verschiedene Fälle:

1. In einem optisch transparenten Medium werden Photonen von Elektronen absorbiert und letztere emittieren an ihrer Stelle fast augenblicklich (innerhalb von Femtosekunden oder weniger) neue Photonen. Zwischen Emission und Absorption bleibt den Elektronen kaum Zeit, mit den Atomen und Molekülen um sie herum zu interagieren. Daher müssen die emittierten Photonen genau dieselbe Wellenlänge (entsprechend der Energieerhaltung), Richtung (entsprechend der Impulserhaltung) und Polarisation (entsprechend der Drehimpulserhaltung) wie die einfallenden Photonen haben, und die Wirkung des Mediums auf das Licht ist einfach eine von Verzögerung, also wird das Medium durch einen Brechungsindex modelliert, dh einen Lichtgeschwindigkeits-Skalierungsfaktor.

2. Es gibt eine geringfügige Ausnahme von Verfahren (1) in doppelbrechenden Medien. Der Prozess ist fast derselbe, aber es gibt eine gewisse Übertragung des Drehimpulses durch die absorbierenden Elektronen auf das umgebende Atom/die Moleküle/die Umgebung. Der Polarisationszustand des Lichts ändert sich, und Licht und Medium wiederum üben ein winziges Drehmoment – ​​den Winkelimpuls – aufeinander aus.

3. Schließlich haben wir Fluoreszenz. Das absorbierende, angeregte Atom/Molekül "wartet" eine lange Zeit auf die spontane Emission: typischerweise Nanosekunden, kann bis zu Millisekunden dauern. In dieser Zeit kann es mit dem Medium, in das es eingetaucht ist - seiner Umgebung - interagieren. Die Beziehungen zwischen Energie, Impuls und Drehimpuls sind also kompliziert:

   • Energie : Es gibt fast immer eine Stokes-Verschiebung bei Fluoreszenz: Geben Sie an, dass das Atom/Molekül, aus dem es fluoresziert, möglicherweise niedriger ist als der Zustand, in den das Atom/Modul zuerst durch das einfallende Licht angehoben wurde. Außerdem fluoresziert das Atom/Molekül möglicherweise nicht vollständig in den Grundzustand. (Siehe meine Zeichnung unten, die für Fluorescein steht, dh "grüne Fluor-Stifttinte"). Durch die Energieverluste überträgt der Absorptions-/Fluoreszenzprozess Schwingungsenergie und Wärme auf das System Atom/Umgebung.

   • Linearer Impuls : Während einer Fluoreszenzlebensdauer kann das Atom/Molekül gegen sein umgebendes Medium drücken und umgekehrt, sodass Impulse an die Umgebung übertragen werden. Daher besteht fast immer nur eine geringe Beziehung zwischen der Richtung des einfallenden Lichts und der der Fluoreszenz;

   • Winkelimpuls : Wechselwirkungen zwischen Atomen, Molekülen und ihrer Umgebung neigen dazu, weniger Drehmoment als vielmehr Impulsübertragung zu beinhalten. Dies ist intuitiv vernünftig: Kräfte neigen dazu, entlang der Linie zwischen Massenschwerpunkten gerichtet zu sein. Es gibt jedoch einen gewissen Drehmoment- und Winkelimpuls, insbesondere bei Fluorophoren mit langer Lebensdauer. Daher neigt die Fluoreszenzpolarisation dazu, ziemlich stark mit der des einfallenden Lichts zu korrelieren, aber es gibt auch eine deutliche Depolarisation. Ein weiterer Faktor, der dazu neigt, die Fluoreszenz und die Polarisation des einfallenden Lichts ziemlich gut korreliert zu halten, ist, dass der Drehimpuls quantisiert ist, der lineare Impuls dagegen nicht. Vereinfacht kann man sich denken, dass Winkelimpulse ein Bestimmtes erreichen müssen$\pm\hbar$Schwelle, bevor sie zu echten Überweisungen werden.

Ein elektronischer Übergang ist durch sein Übergangsdipolmoment gekennzeichnet . Einfach ausgedrückt handelt es sich um einen Vektor, der die Richtung und Größe der Elektronenwolkenverschiebung anzeigt. Die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung mit einem Photon ist proportional zu einem Skalarprodukt aus dem Übergangsdipolmoment und der Photonenpolarisation. Elektronische Übergänge mit einem Dipolmoment von Null werden daher als verboten bezeichnet .

Da das Atom kugelsymmetrisch ist , gibt es keine vorgegebene Richtung und das Übergangsdipolmoment zeigt überall hin. Daher wird die Polarisation des Lichts nicht bevorzugt. Sie können jedoch beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Felds eine Richtung vorgeben. Dann wird das Übergangsdipolmoment orientiert und die Wechselwirkung mit Licht hängt von seiner Polarisation ab.