Wie absorbieren Materialien Licht?

Ich bin neugierig, wie Licht in Materialien absorbiert wird. Soweit ich weiß, wird ein Elektron, wenn es ein Photon absorbiert, auf ein Energieniveau angeregt, das höher ist als das Niveau, auf dem es sich befindet, und die Energiedifferenz zwischen den Niveaus ist gleich der Energie des Photons. Dann fällt das Elektron spontan in seinen Grundzustand zurück und setzt ein Photon mit der gleichen Energiemenge frei.

In diesem Szenario wird das Photon also im Wesentlichen vom Elektron gestreut. Was passiert, wenn ein Material Energie absorbiert, so dass beispielsweise UV-Licht auf ein Material trifft und Infrarotlicht von diesem emittiert wird? Was passiert in diesem Fall zwischen den Photonen und dem Material?

Um es klar zu sagen, ich bin gespannt, was passiert, wenn Licht vollständig vom Material absorbiert wird, und was bestimmt, ob es absorbiert oder einfach gestreut wird, wie in meinem ersten Absatz beschrieben.

Hallo Chris. Können Sie klarstellen, was Sie fragen? Wenn Sie sich fragen, warum Materialien Licht vollständig absorbieren, liegt das daran, dass die Energie in Schwingungsenergie, dh Wärme, umgewandelt wird. Wenn Sie sich fragen, warum einige Materialien Licht mit einer längeren Wellenlänge erneut emittieren, liegt dies an der Fluoreszenz .
Wo haben Sie diesen nicht ganz korrekten Bericht gefunden?
Das hochenergetische Elektron kann sich auch in Schwingungsenergie von Molekülen (Phononen) umwandeln, insbesondere in den Bindungen zwischen Molekülen.
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Wenn ein Photon mit einem Atom interagiert, können drei Dinge passieren:

  1. Bei der elastischen Streuung behält das Photon sein Energieniveau bei und ändert den Winkel

  2. Inelastische Streuung, das Photon behält einen Teil seiner Energie und ändert den Winkel

  3. Absorption, das Photon gibt seine gesamte Energie an das absorbierende Atom ab, und das Photon hört auf zu existieren

Ein Spiegel ist 1., elastische Streuung, Reflexion.

Nun beschreiben Sie in beiden Fällen 3., Absorption. Der Unterschied zwischen den beiden Fällen besteht darin, dass Sie im ersten Fall die Absorption beschreiben, bei der das Photon seine gesamte Energie an das absorbierende Atom / Elektron abgibt und aufhört zu existieren. Dann entspannt sich das Elektron in einem einzigen Schritt und emittiert ein Photon mit der gleichen Energie wie das absorbierte Photon.

Im zweiten Fall wird das Photon absorbiert (UV-Licht), das Photon hört auf zu existieren, gibt seine gesamte Energie an das absorbierende Atom/Elektron ab, und dann entspannt sich das Elektron in einzelnen oder mehreren Schritten, möglicherweise mit einer Verzögerung, aber es wird emittiert Photon hat eine andere Energie als das ursprünglich absorbierte Photon (IR-Licht).

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie sich ein Elektron (Atom) entspannen kann, wie in einem einzigen Schritt. Dennoch könnte das emittierte Photon ein anderes Energieniveau haben als das ursprünglich absorbierte. Insbesondere wenn die Relaxation in mehreren Schritten erfolgt, haben die emittierten Photonen alle unterschiedliche Energien als das ursprüngliche Photon.

Dies sind alles Beispiele für Lumineszenz, bei der es sich um eine spontane Emission von Licht durch eine Substanz handelt, die nicht durch Wärme entsteht.

Photolumineszenz ist Lichtemission nach Photonenabsorption. Es wird durch Photoanregung initiiert (wie in Ihrem Fall).

Nun ist es sehr wichtig zu verstehen, dass nicht nur die Anzahl der Entspannungsschritte variieren kann, sondern auch die Verzögerung zwischen Absorption und Emission.

Sie kann bei Phosphoreszenz bis zu Millisekunden betragen.

Phosphoreszenz ist eine Art von Photolumineszenz, die mit Fluoreszenz verwandt ist. Im Gegensatz zur Fluoreszenz gibt ein phosphoreszierendes Material die absorbierte Strahlung nicht sofort wieder ab. Die langsameren Zeitskalen der Re-Emission werden mit "verbotenen" Energiezustandsübergängen in der Quantenmechanik in Verbindung gebracht. Da diese Übergänge bei bestimmten Materialien sehr langsam ablaufen, wird absorbierte Strahlung bis zu mehreren Stunden nach der ursprünglichen Anregung mit geringerer Intensität wieder emittiert.

https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphorescence

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Im Falle der Phosphoreszenz durchläuft das Elektron einen Intersystem-Crossing, normalerweise einen Triplett-Zustand. Dies braucht Zeit, und das Elektron entspannt sich in einem längeren Zeitraum.

Ich bin gespannt, was passiert, wenn Licht vollständig vom Material absorbiert wird und was bestimmt, ob es absorbiert oder einfach gestreut wird, wie in meinem ersten Absatz beschrieben.

Das hängt von deiner Materialdefinition ab. Bei Festkörpern wirken sich die quantenmechanischen Effekte, also Energieniveaus, die das Photon absorbieren können, nicht nur auf Atome aus. Festkörper bestehen auch aus Molekülen und Gittern. Diese Gruppierungen haben Bindungsenergien und die entsprechende Möglichkeit, ein Photon zu absorbieren und ein anderes zu emittieren, wodurch die Energie auf Ebenen in den Molekülen und im Gitter verteilt wird.

Es kann also viel passieren, wenn ein Photon auf ein festes Material trifft, angefangen bei der Beschreibung in der Antwort von Árpád Szendrei über atomare Wechselwirkungen bis hin zur Wechselwirkung mit dem Gesamtgitter. Sehen Sie sich die Bandtheorie der Festkörper an , um die Komplexität zu verstehen. Die Energie des Photons trägt zur Erhöhung der Temperatur des Materials bei und geht somit in Richtung seiner Schwarzkörperstrahlung.

Ist das Material flüssig, gibt es wiederum gebundene quantenmechanische Zustände, an denen das Photon absorbiert und die Energie mit anschließender Abregung abgebaut werden kann. Sie ist zeit- und ortsabhängiger als bei Festkörpern.

Gase sind Atomreaktionen am nächsten, da ihre Komplexität nur molekular ist, indem sie zusätzliche Energieniveaus für Übergänge hinzufügen.

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