Warum können Elektronen keine Energie absorbieren (dh einen Teil der Energie der erforderlichen Photonen absorbieren und den Rest emittieren)?

Okay, nur um das klarzustellen, werde ich Prozesse betrachten, bei denen ein Photon und ein Atom auf einem bestimmten Energieniveau hineingehen und das Photon und das Atom Energie (und Impuls) austauschen, so dass ein Photon mit einem verschobenen (entweder höher oder niedriger). ) Energie herauskommt, während das Atom in einem anderen internen elektronischen Zustand endet als es begonnen hat. Ein allgemeines Diagramm sieht so aus:

wo nicht resonantes Licht hereinkommt und einen Übergang zwischen den Zuständen 1 und 2 verursacht, wobei die Energie des ausgehenden Photons ebenfalls auf die entsprechende Weise verschoben wird. Ich habe die Impulsänderung nicht gezeigt, aber das wird durch die Energien und die Geometrie der Situation bestimmt. Ich habe das wo gezeichnet$E_2>E_1$, aber auch der umgekehrte Prozess ist möglich, bei dem das Photon Energie gewinnt.

Zunächst einmal fragen Sie sich sicherlich zu Recht, warum dieser Vorgang nicht erlaubt sein sollte. Wie ich in einem anderen Zusammenhang erwähnt habe, ist eine nützliche Denkweise über viele physikalische Prozesse, die Gell-Mann zugeschrieben wird, die, dass „alles, was nicht verboten ist, obligatorisch ist“. Wenn also der interne atomare Übergang + die Photonenverschiebung auf eine Weise erreicht werden können, die Energie und Winkel- und Linearimpuls erhält (und auch einige andere Auswahlregeln befolgt, z. B. solche mit Parität), sollten wir erwarten, dass dies möglich ist. Und es ist!

Wie bereits erwähnt, werden diese Prozesse normalerweise "Raman-Streuung" genannt und sind ein wichtiges Werkzeug in der Materialwissenschaft für die Untersuchung von Schwingungsniveaus von Materialien. Um jedoch direkt auf die Frage von Charles Boyant einzugehen, ist die Idee eines Raman-Übergangs allgemeiner. Beispielsweise werden in der Atomphysik häufig Raman-Übergänge (in einer etwas anderen Form, die als stimuliertes Raman bekannt ist) verwendet, um zwischen zwei Spinzuständen eines Atoms zu wechseln. In diesem Fall muss sich die Polarisation des Photons zusammen mit seiner Energie ändern, damit alle Erhaltungssätze eingehalten werden.

Okay, wenn das passieren kann, warum haben Sie dann gelernt, dass Atome Licht nur bei bestimmten Frequenzen absorbieren können, die atomaren Übergängen entsprechen? Hinter dieser Vereinfachung standen wohl zwei Motive:

1. Obwohl Raman-Prozesse erlaubt sind, treten sie im Allgemeinen im Vergleich zur Absorption in der Nähe einer Resonanz und auch im Vergleich zur Streuung von Photonen ohne Änderung der Photonenenergie mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit auf. Sie haben also in vielen Fällen nur einen sehr geringen Einfluss auf die gesamte Atom-Licht-Wechselwirkung.

2. Da das Photon nie vollständig verschwindet, wird die Raman-Streuung (wie der Name schon sagt) normalerweise als ein inelastischer Streuprozess und nicht als eine "teilweise Absorption" angesehen.

Diese Art der Unterscheidung zwischen Absorption und inelastischer Streuung ist besonders nützlich, wenn Raman-Prozesse mit Prozessen verglichen werden, bei denen das Licht mit einem atomaren Übergang in Resonanz ist. Dies wäre beispielsweise der Fall, wenn das Licht mit dem 1->E-Übergang resonant ist und die Atome dann sowohl in den Zustand 1 als auch in den Zustand 2 zerfallen können. Dies hat ein ähnliches Ergebnis wie der Raman-Prozess in dem Sinne, dass Photonen mit einer Energie kommen herein und Photonen mit einer verschobenen Energie, die der Differenz zwischen Atomniveaus entspricht, kommen heraus. Da die Absorption jedoch ein Resonanzprozess ist, sind die Übergangsstärke, die Wellenlängenabhängigkeit und der tatsächliche Atomzustand während des Prozesses in diesen beiden Fällen unterschiedlich.

Diese Antwort ist nicht streng, nur ein nachträglicher Gedanke: Denken Sie daran, dass ein Photon zuerst vollständig absorbiert werden muss, es wird nicht gleichzeitig absorbieren und emittieren. Dies würde uns ein Elektron zurücklassen, das sich momentan in einem verbotenen Energiezustand befindet. Aus diesem Zustand könnte es ein Photon emittieren, um auf das zu springen, was sein richtiges (dh erlaubtes) Energieniveau sein sollte. Die Unsicherheit wird einiges davon zulassen und eine natürliche Breite der Linien erzeugen, aber sie ist für praktische Zwecke auf kleine Energieabweichungen beschränkt. Was Sie brauchen, ist ein Mechanismus ähnlich dem Tunneln, bei dem ein Teilchen einige Zeit in einer verbotenen Region verbringen kann. Dies hängt aber auch mit der Unschärferelation zusammen.

Mir ist kein tunnelartiger Mechanismus bekannt, der es einem Elektron in einem isolierten Atom ermöglichen würde, vorübergehend in einem verbotenen Bereich jenseits der Unschärferelation zu bleiben. Wenn es existiert, ist es entweder zu klein, um gemessen zu werden, oder es ist durch eine fortgeschrittenere Theorie wie QFT verboten.

Ich habe keine Zahlen berechnet, aber ich vermute auch, dass das Problem darin bestehen könnte, dass ein solcher Zerfall die Impulserhaltung verletzen würde. So wie ein freies Elektron aufgrund der Impulserhaltung kein Photon absorbieren darf (die Energie und der Impuls eines Photons hängen zusammen und dies schränkt die Beziehung ein), vermute ich auch (aber könnte falsch sein), dass die Impulserhaltung wird nur auf den zulässigen Energieniveaus funktionieren, sodass Ihre Mechanismen die Impulserhaltung verletzen würden, und deshalb wäre dies nicht möglich. Ich hoffe jedoch, dass ein Experte eine bessere Antwort geben kann.

Es gibt keinen Grund, dass Sie über „verbotene Energieniveaus“ sprechen müssen, um dies zu verstehen. Ein Elektron ist an ein Atom gebunden wie eine Masse an einer Feder. Es hat eine bestimmte Frequenz, mit der es schwingen kann. Wenn es von einem oszillierenden elektrischen Feld mit genau dieser richtigen Frequenz angetrieben wird, vibriert es. Wir sagen, dass es Energie aus dem Feld absorbiert. Wenn Sie es mit einer höheren Frequenz antreiben, vibriert es einfach nicht. Sie müssen es mit der richtigen Frequenz fahren. (Es kann mehr als eine richtige Frequenz in einem gegebenen atomaren System geben.)

So einfach ist das.

Ich glaube, wenn ein Atom zu viel Energie erhält, kann es ionisiert werden. Es gibt zulässige Energieniveaus, aber oberhalb dieser Niveaus befindet sich der Bereich für freie Elektronen. Die Energieniveaus dort sind nicht quantisiert und können jede Energie aufnehmen. Photonen mit höherer Energie können die Gesamtenergie über die zulässigen Energieniveaus bringen und dadurch das Atom ionisieren. Eine andere Sichtweise, und ich kann mich irren, ist die Schwarzkörperstrahlung. Die Atome können Energieniveaus zugelassen haben, aber wenn sich das Material erwärmt, dürfen alle Niveaus des Spektrums Photonen emittieren.