Mein etwas grundlegendes Verständnis des Konzepts stammt aus Vorlesungen, die ich über das Bohr-Modell besucht habe, die das Phänomen so erklären, dass es aus der Tatsache entsteht, dass bestimmte Konfigurationen eines Atoms nur bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren und andere Konfigurationen die gleiche Wellenlänge emittieren können und in die erste Konfiguration wechseln.
Was ich jetzt nicht verstehe, ist, warum sich diese Effekte nicht aufheben und warum in einigen Fällen die Absorption siegt und wir Absorptionslinien beobachten, und in anderen Fällen ist es umgekehrt. Wenn ich es nicht falsch verstanden habe, gibt es auch einige Fälle, in denen wir sowohl Absorption als auch Emission gleichzeitig beobachten.
Meine Frage läuft also darauf hinaus: Warum?
Auf Ihrer Verständnisebene reicht das Bohr-Atom aus.
Atome sind neutral und bestehen aus umkreisenden Elektronen (negativ geladen) um einen Kern (positiv geladen).
Die sehr grundlegende Frage, die sich aus dieser Tatsache ergibt, dass ein Atom aus Elektronen besteht, die um einen positiven Kern kreisen, ist: Wie kann das möglich sein, wenn wir wissen, dass beschleunigte Ladungen dazu führen, dass sie elektromagnetische Wellen abstrahlen und an Schwung verlieren. Die Elektronen sollten in den Kern fallen, da eine zirkulierende Ladung eine kontinuierliche Beschleunigung hat und Materie, wie wir sie kennen, nicht existieren könnte.
Geben Sie das Bohr-Modell ein: Es postulierte, dass es einige Bahnen gab, auf denen die Elektronen herumlaufen konnten, ohne Energie zu verlieren, quantisierte Bahnen.
Geben Sie die Absorptionslinien ein: Die Elektronen könnten ihre Umlaufbahn nur ändern, wenn sie von einer elektromagnetischen Welle mit einer Energie angeregt würden, die für diese bestimmte Umlaufbahn spezifisch und diskret ist. Wenn man also diese bestimmte Lichtfrequenz (E=h*nu) auf ein bestimmtes Atom richtete, bestand die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron auf eine höhere, angeregte Umlaufbahn geschleudert wurde.
Geben Sie die Emissionslinien ein: Nach der Anregung bestand die Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron zurückfällt und die spezifische Energie abgibt, die es zuvor absorbiert hat. Dies konnte beobachtet werden.
Verschiedene Experimente werden das unterschiedliche Verhalten zeigen, obwohl Absorption und Emission kontinuierlich im Material stattfinden.
Ein Experiment, das Licht auf das Material richtet und das reflektierte Spektrum betrachtet, sieht Absorptionslinien bei diesen Frequenzen, da die Relaxation der angeregten Elektronen rundherum zufällig Strahlung zurückemittiert, während das reflektierte Spektrum in einem bestimmten Winkel liegt.
Ein Experiment aus der Linie der anregenden Photonen wird das Emissionsspektrum sehen . Absorptionsspektren sind nützlich, um Elemente in Sternen zu identifizieren , wobei die Absorption in der Atmosphäre des Sterns stattfindet und als dunkle Linien im Schwarzkörperspektrum erscheint.
Es versteht sich von selbst, dass sich die Physik seit der Zeit, als das Bohr-Atom in den Nachrichten war, zu neuen Horizonten bewegt hat. Es wurde von der Quantenmechanik abgelöst, die Werkzeuge zur genauen Vorhersage und Klassifizierung aller Spektren als Ergebnis einer kohärenten Theorie des Verhaltens des Universums (dh quantenmechanisch) liefert.
Eine Spektrallinie ist einem Paar von Ebenen eines Atoms mit Energien zugeordnet . Typischerweise, sofern wir es nicht mit ausgefallenen Lasern usw. zu tun haben, die Anzahl der Atome auf der Ebene kleiner ist als die Zahl auf der Ebene – weil die Natur Mühe hat, Energie zu sparen. Das Verhältnis ist gegeben durch , durch die universellen Gesetze der statistischen Physik.
Ein allgemeines System, das Absorption oder Emission anzeigt, wird also zumindest durch einen Parameter beschrieben, das Besetzungszahlverhältnis für die höhere Ebene und die niedrigere Ebene. Es gibt noch einen weiteren wichtigen Parameter – die Dichte der Photonen im entsprechenden Zustand mit der entsprechenden Frequenz. Wenn von vornherein keine Photonen vorhanden sind, kann keine Absorption stattfinden. Es gibt nichts zu absorbieren.
Die allgemeinen Regeln, die auf den harmonischen Quantenoszillatoren basieren, implizieren, dass die Absorptionswahrscheinlichkeit vorhanden ist Photonen ist proportional zu während die Wahrscheinlichkeit der Emission, wenn es gibt Photonen zu Beginn ist . Diese beiden Aussagen hängen durch die Zeitumkehrsymmetrie zusammen; Es gibt anstatt denn die Zahl der Photonen im Endzustand ist der Zeitumkehrpartner des Ausgangszustandes aus dem Fall der Absorption.
Ebenfalls, kann als Summe von interpretiert werden , die stimulierte Emission und , die spontane Emission. Diese Regeln waren Einstein bereits fast ein Jahrzehnt vor der Geburt der Quantenmechanik bekannt.
Wenn das Ausgangssystem also viele Photonen in den richtigen Frequenzen und eine relativ kleine Anzahl angeregter Atome hat, wird die Absorption – begleitet von der Anregung vieler nicht angeregter Atome – dominieren. Wenn Sie im Gegenteil viele Atome (mit einem ausreichend hohen Anteil an angeregten Atomen) in eine Umgebung ohne Licht bringen, wird die Emission die Absorption übersteigen. Dieses Verhältnis von Emissions- und Absorptionsrate ist einfach zu berechnen.
In allen Fällen können Sie den Absorptions- oder Emissionsüberschuss als Beispiele für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ansehen – Wärme fließt von einem wärmeren Körper zu einem kühleren. Die beiden Objekte sind die Menge der Atome und das elektromagnetische Feld (seine relevanten Moden). Wenn die Temperatur der Atome (gegeben durch das Verhältnis der Besetzungszahlen für angeregte und nicht angeregte Zustände) höher ist als die des elektromagnetischen Feldes (gegeben durch die Anzahl der Photonen), fließt Wärme von den Atomen zum elektromagnetischen Feld. Die Natur versucht, ein Gleichgewicht zu erreichen.
Außerdem kann ein Atom absorbieren und ein anderes emittieren. Alternativ können Photonen mit einer Richtung oder Polarisation absorbiert werden, während Photonen mit einer anderen Richtung oder Polarisation emittiert werden können. Beide Prozesse können also gleichzeitig ablaufen – und unabhängig voneinander beobachtet werden. Wenn Sie mehr Details benötigen, müssen Sie genauer auf das Experiment eingehen, in dem diese beiden Dinge gleichzeitig auftreten.
