Was passiert eigentlich, wenn ein Photon von Materie absorbiert wird?

Teilchen werden in der Quantenfeldtheorie durch Schwankungen in Feldern dargestellt. Wenn Sie also ein Photon und ein Elektron haben, haben Sie eine entsprechende Fluktuation in jedem Feld. Die beiden Felder interagieren miteinander und so kann die Schwankung im Photonenfeld die Schwankung im Elektronenfeld beeinflussen und verschwinden.

Wenn Sie eine Analogie suchen, denken Sie an zwei Schnurstücke, die an einem Ende zusammengebunden sind. Zunächst kommt es zu einer Schwankung beider Stränge, die an der Strangschnittstelle kollidieren. Nach der Kollision gibt es nur eine größere Schwankung in der Saite, die das Elektronenfeld darstellt.

Betrachten Sie die Sache in der zweiten Quantisierungsform: Der Hamiltonoperator enthält den Term like$b^\dagger a_e+\text{h.c}$, das die Vernichtung einer Anregung beschreibt, würde ein Photon erzeugen, und sein konjugierter Vorgang (der Sie mehr interessiert): ein Photon absorbieren und angeregt werden.

Diese Art von Hamilton-Operator ist hauptsächlich von QuantumElectroDynamics (QED) abgeleitet. Die Lagrangedichte enthält einen solchen Eckpunkt: Materiefeld (Spin-$\frac{1}{2}$Feld) koppelt an Lichtfeld (Spin-$1$Feld). Wikipedia gibt dafür eine hinreichend klare Erklärung.

Es gibt viele Möglichkeiten, wie ein Photon mit Materie interagieren kann, aber da das Photon eine quantenmechanische Einheit ist, muss man Materie im Quantenregime definieren.

In Dimensionen entsprechend h_bar besteht Materie aus Atomen in verschiedenen Kombinationen.

Eine Art der Wechselwirkung mit Materie ist hier zu sehen: Atome werden durch Elektronen in Orbitalen um einen positiven Kern mit gleichen und entgegengesetzten Ladungen modelliert. Die Orbitale sind Lösungen der quantenmechanischen Gleichung und Energieniveaus. Ein Photon kann also von einem Atom absorbiert werden, indem es ein Elektron auf ein höheres Energieniveau "tritt", wenn das Photon diese Energie +/- eine quantenmechanische Breite in der Energie hat. (Die Energie des Photons ist h*nu, wobei nu die Frequenz des klassischen Lichtstrahls ist, von dem es ein Teil ist). Dies ergibt Absorptionsspektren und dann, wenn das Elektron in den niedrigeren Energiezustand zurückfällt, Emissionsspektren. Der Impuls wird durch einen Bewegungsüberschuss des Atoms erhalten, das das Photon absorbiert hat.

Die Atome in Materie haben auch ein elektrisches Feld, mit dem ein Photon mit dem Compton-Effekt interagieren kann , entweder mit einzelnen Atomen oder mit einer Masse von Atomen wie in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper. Das Photon verliert einen Teil seiner Energie und seines Impulses und überträgt ihn auf die Atome oder Moleküle, je nach Streuung kann die Energie Schwingungsenergie in einem Festkörper oder einer Flüssigkeit sein , also am Ende heizt die Energie Materie auf, weil Temperatur mit der verbunden ist durchschnittliche kinetische Energie von Atomen und Molekülen.

Es gibt andere , kompliziertere Wege , wie das Photon gestreut und einen Teil seiner Energie abgegeben und anschließend vollständig absorbiert wird.

Der Wechselwirkungsmechanismus ist sehr ähnlich wie eine Funkwelle, die mit einer Antenne interagiert. Das „Photon“ äußert sich in Schwingungen des elektrischen Feldes, die das Elektron wie eine Masse auf einer Feder antreiben. Die Schwingungsfrequenz ergibt sich aus der Differenz zwischen Anfangszustand und angeregtem Zustand, und Sie können die oszillierende Ladungsbewegung verfolgen, indem Sie die Überlagerung der beiden Zustände berechnen.

Das schwingende Elektron strahlt wie jede andere Antenne elektromagnetische Energie ab. Aufgrund der Wechselwirkung des abgestrahlten Feldes mit dem einfallenden Feld gibt es zunächst tatsächlich eine Nettoabsorption von Energie; aber schließlich verschwindet das einfallende Feld und das Atomsystem schwingt dann einfach weiter und strahlt jegliche Restenergie wieder ab, bis es in den Grundzustand zurückkehrt.

Sie können dieses System auch in Bezug auf "Photonen" analysieren, indem Sie etwas namens "Fermi's Golden Rule" verwenden, aber es kommt alles zu genau demselben Ergebnis in Bezug auf das, was Sie tatsächlich messen können ... die Menge an gestreuter Strahlung als Funktion der Ereignisfeld.

HAFTUNGSAUSSCHLUSS: Ich bin ein anerkannter Spinner, dessen Meinungen von den Experten in diesem Forum, die viel mehr wissen als ich, routinemäßig und massiv herabgestimmt werden.

Ich werde es in einem sehr allgemeinen Sinne versuchen, und dann können Sie Ihre Vorstellungskraft einsetzen, denn Bücher können dies möglicherweise nicht für Sie beantworten.

Jede Wechselwirkung erfolgt über irgendeine Art von Kraft. Wenn wir ein Auto schieben, übertragen wir unsere Energie in das Auto, aber die Energie wird zuerst in Kraft umgewandelt und geht dann in das Auto. Ebenso muss sich das Photon in eine winzige Kraft verwandeln, die das Elektron anstoßen würde. Diese Kraft muss höchstwahrscheinlich elektromagnetische Abstoßung sein. Sie können denken, dass das Photonenfeld / die Photonenwelle einer bestimmten Frequenz und das Feld / die Welle eines getroffenen Elektrons im Weltraum nicht koexistieren können. Einer überträgt seine Energie auf den anderen und verschwindet. Aus dieser Nicht-Koexistenz-Fähigkeit entsteht Abstoßung, aus Abstoßung entsteht Bewegung. Paradoxerweise koexistieren sie nach der Interaktion immer noch, aber als eine, nicht als zwei.