Warum fallen Elektronen von einer hohen Anregung auf eine niedrigere?

Die Antwort ist Thermodynamik und die Annahme, dass Sie in einer kälteren Umgebung arbeiten als die Temperatur, die einer Planck-Verteilung entspricht, bei der Ihre Photonen "im Durchschnitt" ziemlich vorhanden wären. Mit anderen Worten, innerhalb eines Sterns, wo es heißer ist, befinden sich die Atome die meiste Zeit NICHT in ihrem Grundzustand – tatsächlich befinden sie sich, wenn es heiß genug ist, in ihrem „höchsten Zustand“, der ein ionisierter Zustand ist: Sie Plasma haben. Einfach weil die meisten atomaren Materie Energieniveaus mit Unterschieden hat, die viel größer sind als die durchschnittlichen Photonenenergien bei "Raumtemperatur" (etwa 26 Milli-eV), neigen wir dazu zu sagen, dass sich Atome und Moleküle in ihrem Grundzustand befinden. Denn bei diesen niedrigen Temperaturen

Übrigens können Sie das bei Rotationszuständen von Molekülen sehen: Bei Raumtemperatur befinden sich diese normalerweise NICHT in ihrem Grundzustand, und angeregte Rotationszustände "zerfallen nicht in den Grundzustand" . Dies liegt daran, dass ihre Energieniveaus unter 26 meV liegen.

Wenn Sie also in einer kalten Umgebung "ein Atom beleuchten" , bringen Sie es aus dem thermodynamischen Gleichgewicht, und es kehrt zum Gleichgewicht zurück, das sein Grundzustand ist. Wenn Sie in einer heißen Umgebung "ein Atom beleuchten" , fällt es nicht in seinen Grundzustand zurück, da dies nicht sein Gleichgewichtszustand ist.

Ein Atom in einer kalten Umgebung zerfällt in den Grundzustand durch spontane Emission, die einen exponentiellen Zeitabfall hat, der vom spezifischen Zustand abhängt und ziemlich schwierig zu berechnen ist.

Ich möchte etwas über die spontane Emission hinzufügen. Angeregte Zustände von Atomen sind keine stationären Zustände, weil Atome keine isolierten QM-Systeme sind. Es gibt immer eine Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern. Die Schrödinger-Gleichung für Atome berücksichtigt in ihrer einfachsten Form nur die Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kern. Bei diesem vereinfachten Ansatz sind angeregte Zustände stationär und spontane Emission hat keinen Platz.

• gehen die elektronen immer höher, je mehr licht du strahlst (...)?

Nein, weil Energieniveaus quantisiert sind. Das bedeutet, egal wie viele Photonen Sie auf das Elektron werfen (dh die Intensität der Lichtquelle), es wird nicht auf ein höheres Energieniveau springen, es sei denn, die Frequenz ($\nu$) der Photonen ist richtig, dh wenn

wo$\Delta E$ist die Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus und$h$ist die Plancksche Konstante.

• Zweitens, wenn Sie dann aufhören, Licht zu strahlen, warum fallen die Elektronen dann auf ein niedrigeres Niveau zurück? Werden sie überhaupt? Und warum? es scheint willkürlich, dass sie es tun werden, wenn nicht etwas anderes darauf einwirkt.

Ja, sie fallen zurück, und das aus zwei Gründen:

1. Ein Atom ist nie wirklich isoliert, und es wird mit dem externen elektromagnetischen Feld interagieren.
2. Selbst wenn wir davon ausgehen, dass sich das Atom im freien Raum befindet, weit weg von jeder Quelle eines EM-Felds, wird es immer noch Vakuumschwankungen des EM-Felds ausgesetzt sein und daher schließlich auf ein niedrigeres Energieniveau zerfallen. Dieser Prozess, der als spontane Emission bezeichnet wird, kann nicht erklärt werden, wenn das EM-Feld als klassisches Objekt behandelt wird, und seine Beschreibung erfordert den Formalismus der Quantenfeldtheorie. Eine ausführlichere Diskussion finden Sie beispielsweise auf der Wikipedia-Seite :

Spontane Übergänge waren im Rahmen der Schrödinger-Gleichung, in der die elektronischen Energieniveaus quantisiert wurden, nicht erklärbar, das elektromagnetische Feld jedoch nicht. Da die Eigenzustände eines Atoms richtig diagonalisiert sind, ist die Überlappung der Wellenfunktionen zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand des Atoms Null. Somit kann das Atom im angeregten Zustand ohne ein quantisiertes elektromagnetisches Feld nicht in den Grundzustand zerfallen . Um spontane Übergänge zu erklären, muss die Quantenmechanik zu einer Quantenfeldtheorie erweitert werden, bei der das elektromagnetische Feld an jedem Punkt im Raum quantisiert wird. Die Quantenfeldtheorie von Elektronen und elektromagnetischen Feldern ist als Quantenelektrodynamik bekannt.

In der Quantenelektrodynamik (oder QED) hat das elektromagnetische Feld einen Grundzustand, das QED-Vakuum, das sich mit den angeregten stationären Zuständen des Atoms vermischen kann. Als Ergebnis dieser Wechselwirkung ist der "stationäre Zustand" des Atoms kein echter Eigenzustand des kombinierten Systems aus Atom und elektromagnetischem Feld mehr. Insbesondere der Übergang des Elektrons vom angeregten Zustand in den elektronischen Grundzustand vermischt sich mit dem Übergang des elektromagnetischen Feldes vom Grundzustand in einen angeregten Zustand, einen Feldzustand mit einem Photon darin. Spontane Emission im freien Raum hängt von Vakuumschwankungen ab, um in Gang zu kommen .

• Wenn sie zurückfallen, wie lange dauert es, bis sie es tun?

Die Wahrscheinlichkeit, dass der Übergang nicht zu diesem Zeitpunkt stattgefunden hat$t$ist$1-p$, wo$p$ist die Wahrscheinlichkeit, dass es passiert ist . Um die Übergangswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit zu berechnen, können Sie die Einstein-Koeffizienten verwenden .

Die klassische elektromagnetische Theorie konnte die in Lichtspektren sichtbaren Spektrallinien nicht erklären. Es sagte voraus, dass ein um ein Proton gefangenes Elektron kontinuierlich strahlen würde (aufgrund der Radialbeschleunigung) und auf das Proton fallen würde, indem es ein kontinuierliches Lichtspektrum emittiert. Es gäbe keine stabilen Wasserstoffatome.

Hier ist das Wasserstoffatom:

Die festen Umlaufbahnen erklärten die beobachteten Spektren, die Balmer- und Lyman-Reihen, und dies war einer der Hauptpfeiler für die Erfindung der Quantenmechanik.

kopiert

Beachten Sie, dass die Linien eine Breite haben

Wenn Sie beispielsweise ein Photon in ein Atom strahlen und dies ein Elektron auf ein höheres Energieniveau anregt,

Nehmen wir als Beispiel das Wasserstoffatom.

Ja, das Atom wird angeregt, wenn das Photon die Frequenz/Energie der Differenz der Energieniveaus hat

Gehen die Elektronen immer höher, je mehr Licht Sie strahlen, und gibt es eine Energiegrenze, wenn ja, warum?

Es kommt nicht auf die Menge an, sondern auf die entsprechenden Energieunterschiede

Sehen Sie sich die Energieniveaus an. Damit ein Photon auf ein Elektron trifft und das Atom ionisiert, muss es eine Frequenz h*nu=13,6 eV haben. Um auf ein Zwischenniveau überzugehen, muss das Photon den Energieunterschied haben, sonst streut es einfach am Feld des Atoms vorbei und lässt es intakt.

Wenn Sie einem Photon die richtigen Energieschritte geben, kann das Elektron bis zur Ionisation aufsteigen. Auch hier ist es die Energie oder das Photon, das den Energieniveauunterschieden entsprechen muss.

Wenn Sie ein Wasserstoffgas und eine Quelle mit den geeigneten Energieniveaus haben, um das Atom anzuregen, dann je mehr Photonen, desto mehr angeregte Zustände. Allgemeine Frequenzen passen nur zufällig zur richtigen Differenz.

Zweitens, wenn Sie dann aufhören, Licht zu strahlen, warum fallen die Elektronen dann auf ein niedrigeres Niveau zurück?

Es gibt eine kalkulierbare quantenmechanische Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen auf ein leeres niedrigeres Niveau fallen, denn es ist ein Naturgesetz, quantenmechanisch und klassisch, dass alles auf das niedrigste erlaubte Energieniveau geht, auf dem Stabilität besteht.

Werden sie überhaupt? Und warum? es scheint willkürlich, dass sie es tun werden, wenn nicht etwas anderes darauf einwirkt.

Das Elektron kann entweder die Ebenen hinunter kaskadieren und Photonen mit der entsprechenden Frequenz/Energie freisetzen, oder in einem Schritt auf die niedrigste Energieebene gehen. All dies sind berechenbare Wahrscheinlichkeiten im quantenmechanischen Rahmen. Ihr "durch etwas anderes beeinflusst" bedeutet übersetzt, dass die Schrödinger-Lösungen nicht ausreichen, um den vorhergesagten Linien Breiten zu verleihen, was wahr ist, man braucht Quantenelektrodynamik.

Ein einzelnes Atom im Weltraum hat, wenn es sich in einem angeregten Zustand befindet, eine berechenbare Wahrscheinlichkeit, in den Grundzustand zu fallen, der durch die Verwendung von Wechselwirkungen mit dem QED-Vakuum modelliert wird.

Wenn sie zurückfallen, wie lange dauert es, bis sie es tun?

Wenn Sie weiter studieren, werden Sie sehen, dass dies mit der Breite der Linie zusammenhängt, die keine strenge Energielinie ist, sondern ein wieder berechenbares Δ(E) hat. Diese Berechnungen brauchen die Quantenfeldtheorie, nicht das einfache Schrödinger-Modell, wie valerio92 in seiner Antwort zitiert. Die Heisenbergsche Unschärferelation verknüpft dann die Abklingzeiten mit dieser Energiebreite.

In diesem Artikel finden Sie den Grund für spontane Emission.

Die Anregung eines Elektrons hängt natürlich von der Frequenz der Photonen ab, die man auf das Atom einstrahlt. In der Praxis sind diese Photonen Wellenpakete. Wenn wir davon ausgehen, dass das äußere Elektron angeregt wird, müssen die Photonen Energien haben, die gleich der Differenz (von der es viele gibt) der Energieniveaus des Elektrons sind. Nehmen wir eine Frequenz (oder besser gesagt ein Wellenpaket um einen Mittelwert der Frequenz), die der Energiedifferenz zwischen dem ersten Energieniveau des Elektrons und dem zweiten entspricht (unterhalb dieser Energie kann das Photon das Elektron nicht mehr anregen). ), je mehr Photonen Sie auf das Atom strahlen, desto höher ist der Energiezustand des Elektrons (Sie müssen sie natürlich schneller strahlen als mit der Rate, mit der sie auf niedrigere Energieniveaus zurückfallen). Indem also viele Photonen mit der richtigen Energiemenge zum Strahlen gebracht werden, wird das Elektron schließlich vom Atom abgestoßen (die Ausbreitung der Energien wird geringer, je höher die Energiezustände sind).