Was bestimmt die Richtung eines von einem Elektron emittierten Photons?

Wenn ein Elektron Energie verliert und ein Photon emittiert, was bestimmt die Richtung, in die sich dieses neu erzeugte Photon bewegt? Da das Elektron eine Punkteinheit ist, hat es keine interne physikalische Struktur, also gehe ich davon aus, dass die Bewegung des Photons von der Bewegung des Elektrons in dem Moment geerbt wird, in dem das Photon emittiert wurde?

(1) Ein freies Elektron sendet keine Photonen aus. (2) Ein an ein Atom gebundenes Elektron ist keine Punkteinheit.
tatsächlich ist die Photonenrichtung bei der spontanen Emission zufällig. und es gibt keine Regel!
@JonCuster Ich glaube, Elektronen in einer Kathodenstrahlröhre können Photonen (Röntgenstrahlen) emittieren.
@ManudeHanoi - sicher, wenn sie etwas treffen. Ein sich frei ausbreitendes Elektron sendet keine Photonen aus.
@JonCuster was ist mit Zyklotronstrahlung? en.wikipedia.org/wiki/Cyclotron_radiation
@ManudeHanoi, genau das ist es: Die Teilchen werden durch das Magnetfeld beschleunigt: Sie absorbieren effektiv Photonen und sind in der Tat sehr unfrei.
@CosmasZachos aus Wikipedia "Zyklotronstrahlung wird von allen geladenen Teilchen emittiert, die sich durch Magnetfelder bewegen, nicht nur von denen in Zyklotronen."
Ich weiß nicht, warum Sie behaupten, dass freie Elektronen keine Photonen emittieren können. Um Photonen zu emittieren, braucht man eine schnelle Änderung des elektrischen Feldes, ein sich bewegendes Elektron kann das tun
@CosmasZachos ja ja, wenn dann nur eine Kraft auf ein Elektron ausgeübt werden muss, um es nicht frei zu machen, dann gibt es kein einziges freies Elektron im Universum. Nochmals aus Wiki: "Elektromagnetische Wellen werden von elektrisch geladenen Teilchen emittiert, die einer Beschleunigung unterzogen werden."
@ManudeHanoi Absolut. Beschleunigung ist das Ergebnis einer Wechselwirkung; "frei" ist eine Idealisierung, bei der solche Interaktionen ignoriert werden können.
@CosmasZachos nach deiner Definition gibt es kein freies Elektron im Universum. Daher ist Ihre Definition von "freiem Elektron" nutzlos. Sie sollten wissen, dass wir das nicht mit freien Elektronen meinen
@JonCuster, da ist natürlich der Freie-Elektronen-Laser. Siehe en.wikipedia.org/wiki/Free-electron_laser
@DavidWhite - und dazu müssen die Elektronen herumgeschüttelt werden - sie breiten sich nur "frei" zwischen den Undulatoren aus, und in den Undulatoren werden sie gezwungen, sich zu wellen ...
Es ist besser, sich ein Photon vorzustellen, das vom ganzen Atom absorbiert oder emittiert wird, als vom Elektron. Aber selbst dann bestimmt nichts die Emissionsrichtung für die spontane Emission eines freien Atoms, alle Richtungen haben die gleiche Wahrscheinlichkeit
Kennen Sie die Berechnung von QFT-Propagatoren?
@ManudeHanoi Ich muss JonCuster hier zustimmen. Für die Strahlungsemission wird Beschleunigung benötigt. Per Definition bedeutet "frei" keine anderen Interaktionen. Freie Elektronen können also nicht beschleunigen und Photonen emittieren. Natürlich kann es keine wirklich freien Elektronen geben, aber das bedeutet nicht, dass die Idee nutzlos ist. Es ist wie wenn wir von glatten Oberflächen ausgehen oder den Luftwiderstand vernachlässigen. Die Annahmen sind nicht wahr, aber sie sind nah genug an der Realität, dass sie immer noch nützlich sind, mit dem Bonus, dass sie einfacher zu handhaben sind.
@AaronStevens Ich habe in der High School verwendet und gelernt , dass Metalle Strom leiten, weil sie freie Elektronen haben . Frei bedeutet, nicht an ein bestimmtes Atom gebunden zu sein.
@ManudeHanoi das ist in Ordnung. Sie haben in Ihren obigen Kommentaren nie angegeben, dass Sie dies mit "kostenlos" gemeint haben. All dies wäre vermieden worden, wenn Sie einfach gesagt hätten, was Sie mit kostenlos meinen. Niemand hier hat Unrecht, ich rede nur über zwei verschiedene Dinge. In der Physik bedeutet frei normalerweise keine Wechselwirkungen, und die Elektronen, von denen Sie sprechen, wären nicht an Atome gebunden. Aber wenn Sie frei meinen, nicht an Atome gebunden zu sein, dann spezifizieren Sie dies, anstatt sich über Leute aufzuregen, die nur eine andere Terminologie verwenden als Sie.

Antworten (3)

Elektronen und Photonen sind quantenmechanische Einheiten und gehorchen Lösungen der entsprechenden quantenmechanischen Gleichungen.

Wenn ein Elektron Energie verliert und ein Photon emittiert,

Das „Energie verliert“ beschreibt bereits eine Wechselwirkung: Man nennt sie Bremsstrahlung

Was bestimmt die Richtung, in die sich dieses neu geschaffene Photon bewegt?

Die Berechnung dieser Feynman-Diagramme

bremsen

ergibt die Wahrscheinlichkeitsverteilung, der die Photonen gehorchen müssen. Denken Sie daran, dass in der Quantenmechanik die Wahrscheinlichkeitsverteilungen streng bestimmt sind. Einzelne Streuungen/Ereignisse entsprechen dieser Verteilung.>

Da das Elektron eine Punkteinheit ist, hat es keine interne physikalische Struktur, also gehe ich davon aus, dass die Bewegung des Photons von der Bewegung des Elektrons in dem Moment geerbt wird, in dem das Photon emittiert wurde?

Nein, es ist zufällig, ABER gehorcht der Energie-Impuls-Erhaltung UND die Häufung dieser Ereignisse muss der berechenbaren Wahrscheinlichkeitsverteilung folgen. Wenn die Wahrscheinlichkeitsverteilung in Richtung des einfallenden Elektrons ihren Höhepunkt erreicht, wird eine Abtastung einer Streuung wahrscheinlich in diesen Bereich fallen, aber es besteht die Möglichkeit, dass sie einen größeren Winkel hat. Es wird also von den angenommenen Bedingungen abhängen. Der "Kern" im Diagramm kann nur ein elektrisches oder magnetisches Feld sein.

In dieser Arbeit werden die Berechnungen für hochenergetische Elektronen und Positronen in Stürmen durchgeführt, um die Gamma-Emission (hochenergetische Photonen) abzuschätzen.

bremsen

Die Wahrscheinlichkeitsverteilung für Winkeleffekte hat also eine Tendenz zum einfallenden Elektron, aber bei der Lösung dieses speziellen Problems gibt es eine nennenswerte Wahrscheinlichkeit bei größeren Winkeln.

Vielleicht muss man etwas Kontext liefern. Das OP spezifiziert kein freies Elektron oder gebundenes Elektron. Wenn das Elektron in einem Atom gebunden ist, würde die spontane Strahlung eines Photons beispielsweise dann erfolgen, wenn das Elektron von einem angeregten Zustand in den Grundzustand übergeht. In einem solchen Fall ist die Richtung der Photonenemission völlig zufällig. Es tritt einfach auf, weil der angeregte Zustand instabil ist und es keine Möglichkeit gibt, die Richtung vorherzusagen.

Ein weiteres Szenario ist die Compton-Streuung . Hier wird zuerst ein Photon vom Elektron absorbiert und dann ein weiteres Photon vom Elektron abgestrahlt. Würde man die Absorption des ersten Photons vernachlässigen, würde man meinen, das Elektron habe gerade spontan ein Photon emittiert. Keines dieser beiden Ereignisse kann jedoch isoliert betrachtet werden, da keines von beiden im Allgemeinen Energie-Impuls erhalten kann. Man müsste also den gesamten Prozess betrachten. In diesem Fall wird die Richtung der Emission durch den Zustand des anfänglichen Photons und Elektrons vor der Absorption des ersten Photons bestimmt. Man kann die Wahrscheinlichkeitsverteilung für alle möglichen Richtungen berechnen, dass das letzte Photon abgestrahlt werden kann.

Es gibt viele andere Szenarien, die jedoch alle auf ähnliche Weise wie diese beiden Szenarien betrachtet werden können.

Ich dachte an ein an ein Atom gebundenes Elektron, das an einer reflektierenden Oberfläche teilnimmt. Wer berücksichtigt den Einfallswinkel des Photons relativ zur Oberfläche, um zu entscheiden, in welche Richtung das Photon emittiert wird?
Für nur ein solches Atom ist die Emissionsrichtung zufällig. In einer reflektierenden Oberfläche würde es jedoch eine Überlagerung von Photonen geben, die von mehreren Atomen emittiert werden. Die resultierende Interferenz würde dann nach den Reflexionsgesetzen die Richtung bestimmen.

Sie sollten besser an 3D-Wellen denken, das Elektron hat ein elektrisches Feld, wenn es sich bewegt, das eine spezielle 3D-geformte Welle erzeugt, die sich auf die Schwingungsrichtung bezieht ( Form hier ). Diese 3D-Welle ist Licht/EM-Strahlung, und Sie erhalten ein Photon, wo Licht eingefangen wird.

Ich bin überrascht über die Menge an Downvotes für eine Frage, auf die noch niemand eine andere Antwort gegeben hat.
Ja, ich denke nicht, dass Ihre Antwort so schlecht ist, dass sie so viele negative Stimmen verdient. Vielleicht können die Leute einen Kommentar hinterlassen, wenn sie eine Ablehnung abgeben sollen.
Was bestimmt die Richtung eines von einem Elektron emittierten Photons?
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