Warum emittieren Atome während eines Energieniveauübergangs nicht mehr als ein Photon?

Wenn Sie sich das Emissionsspektrum eines Atoms ansehen, gibt es scharfe Linien, die den verschiedenen Energieniveauübergängen entsprechen. Das liegt daran, dass das einzelne Photon, das bei jedem Übergang emittiert wird, die gesamte Energie des Übergangs trägt.

Meine Frage ist: Wie kommt es, dass nur ein einziges Photon die ganze Energie trägt? Warum wird die Energie manchmal nicht auf zwei oder mehr Photonen aufgeteilt?

Ich verstehe, wie die Regeln der Quantenmechanik die Energiezustände des Atoms auf einen diskreten Satz von Niveaus beschränken, aber ich verstehe nicht, wie sie auch die Anzahl der erzeugten Photonen auf eins beschränken.

Ich habe das Gefühl, dass eher die Quantenelektrodynamik als die Quantenmechanik selbst diese Einschränkung auferlegt.
Eine qualitativ hochwertige Antwort auf diese Frage könnte sich mit dem Prozess zweiter Ordnung der Zwei-Photonen-Absorption befassen, der der zeitumgekehrte Partner der Zwei-Photonen-Emission ist.
Wie @rob anspielt, sind Multiphotonenprozesse eine Sache, nur eine stark unterdrückte Sache. Der Faktor von 1 / a vom zusätzlichen Scheitelpunkt ist nur der Anfang.
Hier ist ein Kommentar zur Zwei-Photonen-Emission . Ich habe auch eine Antwort geschrieben , die den Mechanismus der Zwei-Photonen-Anregung untersucht.

Antworten (2)

Zwei-Photonen-Emission existiert, sonst wäre der 2s-Zustand von Wasserstoff stabil. Sie können eine ziemlich anständige Schätzung für diese Art von Rate ohne ausgefallene Mathematik oder Physik erhalten, indem Sie einfach das Energie-Zeit-Unsicherheitsprinzip verwenden. Die typische Emissionsrate für ein Photon, wenn es nicht durch Parität verboten ist, ist R ∼ 10 9   S − 1 . Wir können uns den Zwei-Photonen-Zerfall als einen energielosen Sprung in einen Zustand höherer Energie vorstellen, bei dem ein Photon emittiert wird, gefolgt von der Emission eines zweiten Photons, das zum Grundzustand führt. Der erste Sprung kann aufgrund der Energie-Zeit-Unbestimmtheitsbeziehung erfolgen, die es dem Elektron ermöglicht, für eine Zeit t ∼ h/E in der Größenordnung von im Zwischenzustand zu bleiben 10 − 15 S. Die Wahrscheinlichkeit, dass das zweite Photon innerhalb dieser Zeit emittiert wird, ist R T , also ist die Rate für den gesamten Zwei-Photonen-Prozess R 2 T ∼ 10   S − 1 . In Anbetracht der äußerst groben Natur dieser Berechnung stimmt das Ergebnis gut mit der beobachteten Rate von etwa überein 0,1   S − 1 für den Zwei-Photonen-Zerfall des 2s-Zustands in Wasserstoff.

Das macht Sinn, aber warum müssen wir an zwei Sprünge denken, wenn wir zwei Photonen bekommen wollen? Warum kann nicht jeder Sprung selbst zwei oder mehr Photonen emittieren, solange sich alle Energien richtig addieren?
"Wir können uns den Zwei-Photonen-Zerfall als einen energielosen Sprung in einen energiereicheren Zustand vorstellen, mit der Emission eines Photons, [...]" Huh ? Nach oben springen, dabei aber ein Photon aussenden???
@Gert Höher in Bezug auf den Grundzustand.
@Gert: Hä? Nach oben springen, dabei aber ein Photon aussenden??? Es spart keine Energie. Es kann nicht in irgendeinen dritten Zustand herunterspringen, weil der einzige andere Zustand darunter der Grundzustand ist.
Das macht Sinn, aber warum müssen wir an zwei Sprünge denken, wenn wir zwei Photonen bekommen wollen? Warum kann nicht jeder Sprung selbst zwei oder mehr Photonen emittieren, solange sich alle Energien richtig addieren? QED hat nur Knoten mit drei Linien, nicht vier.
QED hat nur Knoten mit drei Linien, nicht vier. Das ist eher die Art von Antwort, die ich gesucht habe. Möchten Sie näher darauf eingehen? Ich verstehe, dass dies eine Aussage über Feynman-Diagramme ist, aber ich weiß nicht, wie Sie mithilfe von Feynman-Diagrammen so etwas wie einen atomaren Übergang modellieren würden.
@IanH: Meine Antwort ist eine "Low-Tech" -Antwort, die ca. hätte geschrieben werden können. 1927. Es verwendet keine echte Quantenfeldtheorie. Aber wenn Sie dies in Form von Feynman-Diagrammen visualisieren möchten, würde das Diagramm wie ein Elektron aussehen, das ein Photon emittiert und dann ein weiteres Photon emittiert. Die Linie, die diese beiden Eckpunkte verbindet, stellt das Elektron in einem anderen Zustand dar, der gegen die Energieerhaltung verstößt. (Um den Prozess zum Laufen zu bringen, benötigen Sie auch eine Wechselwirkung mit dem Kern, was das Diagramm verkomplizieren würde.)
@IanH Akzeptieren Sie, dass es unmöglich ist, dass ein an ein Atom gebundenes Elektron eine beliebige Energie hat und dass zwei Elektronen nicht denselben Zustand haben können (dieselben Quantenzahlen in einem System)? Wenn ja, stellen Sie sich das Problem so vor - das Elektron kann jeweils nur ein Photon freisetzen oder absorbieren (selbst wenn Sie erwarten, dass es zwei gleichzeitig freisetzen könnte , wäre dies viel unwahrscheinlicher und daher im Wesentlichen vernachlässigbar). Es kann kein Photon freisetzen (oder absorbieren), das keinem anderen gültigen Zustand entsprechen würde - entweder muss es sich nach unten (wenn diese Zustände frei sind) oder nach oben bewegen. Der Abstieg ist einfach; [...]
@IanH Aber es gibt oft keine möglichen Zustände, die das Elektron einnehmen kann (durch diesen Mechanismus besetzen Elektronen normalerweise standardmäßig den niedrigsten Zustand). Wenn also keine Leerstelle vorhanden ist, besteht die einzige Möglichkeit für ein Elektron, ein Photon zu emittieren, darin, sich nach oben zu bewegen . Aber das bedeutet, dass Sie die Energie irgendwo herbringen müssen (und das bedeutet natürlich bereits, dass so etwas unwahrscheinlich ist); freie Elektronen haben viele mögliche Energiezustände zur "Auswahl" (sie absorbieren und emittieren Photonen durch Beschleunigung, die immer noch quantisiert ist, aber auf die gleiche Weise wie die Photonen selbst), aber Sie müssen [...]
@IanH zuerst die Elektronen aus dem Elektron-Atom-System. Aber das System existiert überhaupt, weil es weniger Energie hat als ungebundene Elektronen und das resultierende Ion. Sie müssen "freien" Elektronen viel Energie hinzufügen. Diese Energie muss irgendwo herkommen – wenn nicht, könnten Sie auf diese Weise eine kostenlose Energiequelle aufbauen.

Eine andere Form der Zwei-Photonen-Emission ist die Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenz.

Zwei-Photonen-Absorption ist die Absorption von zwei Photonen durch ein Molekül, um es vom Grundzustand in den angeregten Zustand zu bringen.

Die Zwei-Photonen-Absorption kann zu einer Zwei-Photonen-angeregten Fluoreszenz führen, bei der der durch TPA erzeugte angeregte Zustand durch spontane Emission auf einen niedrigeren Energiezustand zerfällt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Zuerst gibt es eine Zwei-Photonen-Absorption, dann eine strahlungslose Abregung und eine Fluoreszenzemission. Das Elektron kehrt durch eine weitere strahlungslose Entregung in den Grundzustand zurück.

https://en.wikipedia.org/wiki/Two-photon_absorption

Jetzt fragen Sie nach Zwei-Photonen-Emission, und Phosphoreszenz ist eine Art Multi-Photonen-Emission, bei der die absorbierte Energie durch die Emission mehrerer Photonen freigesetzt wird.

Phosphoreszenz ist eine Art von Photolumineszenz, die mit Fluoreszenz verwandt ist. Im Gegensatz zur Fluoreszenz gibt ein phosphoreszierendes Material die absorbierte Strahlung nicht sofort wieder ab. Die langsameren Zeitskalen der Re-Emission werden mit „verbotenen“ Energiezustandsübergängen in der Quantenmechanik in Verbindung gebracht. Da diese Übergänge bei bestimmten Materialien sehr langsam ablaufen, wird absorbierte Strahlung bis zu mehreren Stunden nach der ursprünglichen Anregung mit geringerer Intensität wieder emittiert.

https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphorescence

Zwei-Photonen-Emission (stimuliert) ist durch Halbleiter möglich.

Wir berichten nach bestem Wissen über die ersten experimentellen Beobachtungen der Zwei-Photonen-Emission von Halbleitern und entwickeln eine entsprechende Theorie für den Raumtemperaturprozess. Spontane Zwei-Photonen-Emission wird in optisch gepumptem Bulk-GaAs und in elektrisch angetriebenen GaInP/AlGaInP-Quantentöpfen demonstriert.

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0701114

Stimulierte Emission wäre auch ein Beispiel für Multiphotonenemission, wenn wir die Fälle einbeziehen, in denen auch ein oder mehrere Photonen absorbiert werden, richtig?
@richtig, wie einfach stimulierte Zwei-Photonen-Emission in Halbleitern.
Ja, habe gerade die Bearbeitung gesehen, nachdem ich den Kommentar gepostet habe :P
Ich denke, diese Frage betrifft die gleichzeitige Emission von zwei Photonen in einem einzigen Übergang und nicht eine Kaskade von Einzelphotonenübergängen durch genau definierte Zustände. Phosphoreszenz ist letzteres; Die Verzögerung tritt auf, wenn ein Zustand in der Kaskade eine längere Lebensdauer hatte als die anderen.
@rob vielleicht (dann ist die Frage nicht spezifisch), aber der Halbleiter ist gleichzeitig, wie Sie sagen.
Kleiner Kommentar: Bitte verlinken Sie auf arXiv-Abstract-Seiten, nicht auf PDFs. Siehe physical.meta.stackexchange.com/q/11400/44126
warum die abwertung?
Warum emittieren Atome während eines Energieniveauübergangs nicht mehr als ein Photon?
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