Warum wird in einem Atom ein Photon freigesetzt, wenn ein Elektron Energie verliert? Wenn Photonen masselos sind, wie entstehen sie bei diesem Prozess und warum?

Wir glauben, dass es so etwas wie ein elektromagnetisches Feld gibt, dies ist eine unsichtbare Wechselwirkung, genau wie die Schwerkraft, die Sie nach unten zieht, ist das elektromagnetische Feld eine Kraft, die auf magnetische Materie und elektrisch geladene Materie einwirkt.

Das Photon ist eine Anregung dieses Feldes. Stellen Sie sich das so vor, wenn das elektrische Feld ein großes Tuch wäre, das Photon sind die Wellen, die auf der Oberfläche passieren. Das Elektron kann Photonen erzeugen, weil das Elektron elektrisch geladen ist, sodass es ein elektrisches Feld um sich herum erzeugen kann, und wenn sich das Elektron schnell bewegt oder oszilliert, strahlt es diese Wellen (Photonen) aus, genau wie wenn Sie einen Teil des Tuchs nehmen und bewegen Sie es schnell oder bewegen Sie es nach oben und unten, Sie werden eine Welle sehen, die von der Stelle ausgeht, an der Sie es bewegen.

Ich habe versucht, mich sehr kurz zu fassen, aber bitten Sie mich bei Bedarf um weitere Erläuterungen.

Ein einfaches Bild:

Aus dem klassischen Elektromagnetismus wissen wir, dass eine beschleunigte Ladung elektromagnetische Wellen abstrahlt.

Einer der Gründe, warum wir zum quantenmechanischen Modell des Atoms gelangten, liegt darin, dass klassischerweise ein um eine positive Ladung rotierendes Elektron aufgrund der Radialbeschleunigung ein kontinuierliches Spektrum ausstrahlen würde, bis es auf die positive Ladung fällt und diese neutralisiert. Dies ist offensichtlich nicht geschehen, weil Atome, wie das einfachste, das Wasserstoffatom, existieren und stabil sind.

Wenn ein Elektron auf ein Proton fiel, um Wasserstoff zu bilden, zeigten Beobachtungen, dass ein spezifisches Energiespektrum abgestrahlt wurde

Balmer-Reihe

die mit mathematischen Reihen bei diskreten Frequenzen angepasst werden können.

Dies führte zum Bohr-Modell des Atoms, wo zur Erklärung der Reihe postuliert wurde, dass es Umlaufbahnen des Elektrons gab, die stabil waren, es sei denn, sie wurden durch eine einfallende Strahlung angeregt, und die sichtbaren Linien waren Übergänge zwischen Umlaufbahnen.

Gleichzeitig postulierte Planck die Photonen, diskrete Teilchen, die Licht mit der Frequenz h*nu aufbauen, um die Strahlung schwarzer Körper zu erklären.

Die Entdeckung, dass die Shrodinger-Gleichung Lösungen für die elektrischen Potentiale der Wasserstoffatome liefern konnte und dass sie zum Wasserstoffspektrum passten, brachte die ganze Sache auf den Punkt.

Photonen sind die Quanten des elektromagnetischen Spektrums, und sie werden bei Wechselwirkungen mit Atomen absorbiert oder abgestrahlt, da das Atom hauptsächlich durch ein elektrisches Potential zusammengehalten wird, das quantisierte Energieniveaus ergibt, und nicht durch das Kontinuum der klassischen Theorie, das keine Photonen hatte.

Es gibt ein großes Problem mit der Quantenmechanik: Sie ist sehr abstrakt und manchmal kontraintuitiv, wenn Sie tiefer gehen wollen. Keine Sorge, jeder, der sich für Quantenmechanik interessiert, musste sich damit auseinandersetzen. Die Tatsache, dass Sie sich darüber Sorgen machen, ist ein gutes Zeichen dafür, dass Sie erfolgreich bestehen werden.

Das masselose Photon ist in Bezug auf die stationäre Masse masselos. Die gesamte Energie ist in Form von kinetischer Energie im Sinne von Enisteins spezieller Relativitätstheorie. Wenn das Photon gestoppt wird, wird seine gesamte Energie in eine andere Form umgewandelt und seine Energie geht auf Null, weil es überhaupt nicht mehr existiert. Das Photon ist eigentlich nur ein theoretisches Konstrukt, um unseren Verstand dazu zu bringen, alle Eigenschaften des Lichts zu verdauen.

Das Photon ist an seinem Ursprung nur ein theoretisches Konstrukt, wie man die Plancksche Quantentheorie beschreiben kann, wo die Energie nicht als kontinuierlicher Energiestrom abgestrahlt wird, sondern in kleinen Brocken. Diese Energiebrocken wurden Photonen genannt.

Sie wissen, dass das ideale Pendel mechanische Energie in Form von kinetischer und potentieller Energie speichert. Sie wissen, dass verbundene Pendel die Energie von einem Punkt zum anderen übertragen können. Probieren Sie es mit Ihrem Freund aus. Halten Sie ein Seil an beiden Enden, ziehen Sie es ein wenig und schwingen Sie dann die Hand, die ein Seil hält. Sie werden einen Buckel sehen, der auf Ihren Freund zuläuft und schließlich seine Hand schwingt. Wenn wir das Seil als elektromagnetisches Feld betrachten, ist der Buckel das Photon. Das Problem mit dem Stoffbeispiel besteht darin, dass der Photonenbuckel sowohl in Entfernung von Ihnen als auch in Richtung von Ihnen lokalisiert ist. Es sieht eher aus wie ein Ball, der von Ihnen irgendwohin geschickt wird, wenn der Betrachter unten ist (und nur die Stoffform sehen kann). Und das Brummen stellt nicht die tatsächliche Verschiebung dar, sondern die Amplitude der Schwingungen in der Position des Buckels.

Der Buckel war nicht da, als Sie Ihre Hand geschwungen haben; es erschien (wie es Photonen tun, wenn ein angeregtes Atom das stabile Niveau erreicht) und es verschwand, als es Ihren Freund traf (wie Photonen, wenn sie ein Atom treffen, das es erregt).

Man sollte sich ein Feld nicht als Oberfläche vorstellen, ein Feld ist eine mathematische Berechnung eines Phänomens. Es ist eine Abstraktion. Was das Feld wirklich ist, ist eine Kraft an jedem Punkt. Wenn die Quelle eines Feldes wackelt, dann geschieht die Neuausrichtung der Kraftwerte an jedem Punkt in einer Bewegung, die einer mathematischen Welle angenähert werden kann. Aber diese Neuausrichtung trägt eine Energie in sich, die mit einer Welle verbunden ist. Man sieht, dass dies alles mathematischer Hokuspokus für ein schwer vorstellbares physikalisches Phänomen ist.

Ein Photon wiederum ist sozusagen nur die „Einheit“ dieser Neuausrichtung. Natürlich kann es keine Masse haben, weil es kein Objekt ist, es ist eine Abstraktion.

Wenn Sie die potentielle Energie freisetzen, die in einem Stück Wasser gespeichert ist, das mechanisch über die Wasseroberfläche gehoben wird, strahlt die Energie in Form von Wellen ab. Diese Wellen tragen Energie ab, sind aber masselos.

_{(Quelle: nahraj.to )}

(Aus Wikipedia https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/37/Shallow_water_waves.gif )

In einem Atom wird die potentielle Energie aus der Bewegung des Elektrons im Coulomb-Potential (die Anziehung eines Elektrons und eines Protons) ebenfalls als Welle freigesetzt, aber die Kraft, die die potentielle Energie verursacht, ist elektromagnetisch und die resultierende Welle ist elektromagnetisch.

Nun, aufgrund der Quantenmechanik gibt es diskrete Energieniveaus und Lichtquanten - Photonen, aber es ist immer noch eine elektromagnetische Welle.

Sie haben Recht, Photonen sind masselos und nur eine Form von Energie.

Da das Elektron beim Erhalten von Energie in einen höheren Zustand übergeht, aber gleichzeitig instabil wird. So weist es die zusätzlich gewonnene Energie ab, um seine Stabilität zu erreichen.

Nun, diese Energie muss irgendwohin gehen und experimentelle Daten zeigen, dass beim Erreichen stabiler Zustände Lichtbänder gleicher Frequenz erzeugt werden. Gleiche Energie deutet darauf hin, dass keine Energieumwandlung oder kein Verlust stattgefunden hat.

Da die Banden diskret waren, wird ein diskretes Teilchen emittiert. Und Photonen sind die diskreten Teilchen, die im Licht vorhanden sind und nur Energie darstellen. So entstehen Photonen.

HINWEIS: Wenn Sie einen Begriff nicht kennen oder bezweifeln, lesen Sie darüber, was Ihnen helfen wird, Ihre Zweifel zu lösen.

So geht das eben. Auch der Energieerhaltungssatz spielt eine Rolle. Wenn das Elektron Energie verliert, muss es irgendwohin, also das Photon mit Energie.