Wie absorbiert oder emittiert ein Elektron Licht?

Ein Atom ist nichts anderes als ein gebundener Zustand von Elektronen und einem positiv geladenen Kern, der Kern genannt wird. Die Elektronen im Atom befinden sich in einem gebundenen Zustand und daher sind ihre Energieniveaus quantisiert . Es ist auch möglich, quantisierte Rotations- und Vibrationsenergieniveaus der Moleküle zu haben. Sie unterscheiden sich durch den Unterschied in der Energie, die den Übergang von einem Zustand in einen anderen kennzeichnet.

Mögliche Wege, auf denen ein Photon von einem Atom oder Molekül absorbiert wird

Wenn das Energieniveau des einfallenden Photons so ist, dass die Elektronen einen Übergang von einem Zustand in einen höheren zulässigen Zustand haben können, dann liegt das Energieniveau des Photons im sichtbaren oder ultravioletten Bereich, und wir nutzen dieses Prinzip in der elektronischen Spektroskopie.

Angenommen, ein bestimmtes Elektron befindet sich im Energiezustand mit Energieeigenwert$E_i$. Es existiert ein höheres Energieniveau$E_f$. Wenn die Energieniveaus der elektronengebundenen Zustände so sind, dass sie genau mit der Energie des Photons übereinstimmen:$h\nu=E_f-E_i$, dann wird das Elektron in den Energiezustand angeregt$E_f$.

Wenn nun die einfallende Photonenenergie mit der Differenz der Schwingungsenergieniveaus eines beliebigen Paars von Zuständen des Moleküls übereinstimmt , kann dies einen Übergang von diesem Schwingungsenergiezustand in den höheren Energiezustand bewirken. Diese Energie liegt normalerweise im Infrarotbereich und die Technik wird in der Infrarotspektroskopie verwendet.

Bei zweiatomigen Molekülen zum Beispiel sind die Schwingungsenergieniveaus quantisiert und können in gewisser Weise denen eines harmonischen Oszillators angenähert werden:$E_n=\left(n+\frac{1}{2}\right)\bar{h}\omega$. Also, wenn die Photonenenergie so ist$h\nu=E_f-E_i$, das Elektron geht aus dem Zustand$E_i$zu$E_f$, wo$E_i$und$E_f$sind durch die obige Gleichung des harmonischen Oszillators gegeben und die Zustände sind durch die Quantenzahl definiert$n=i$und$n=f$.

Wenn nun die Absorption eines Photons nur die Rotationsenergieniveaus des Moleküls beeinflussen kann, dann befindet sich das absorbierte Photon im Mikrowellenbereich. Die spektroskopische Technik, die sich dieses Prinzip zunutze macht, ist die Mikrowellenspektroskopie.

Beispielsweise sind die Rotationsenergieniveaus eines zweiatomigen Moleküls gegeben durch:$\displaystyle{E_j=\frac{j(j+1){\bar{h}}^2}{2I}}$, wo$I$ist das Trägheitsmoment und$j$ist die Drehimpulsquantenzahl. In einem solchen Fall können wir schreiben:$h\nu=E_f-E_i$und der gebundene Zustand absorbiert das Photon und wird in den Zustand mit Energie angeregt$E_f$, mit$E_f$und$E_i$bestimmt durch die Quantenzahl$j=f$und$j=i$.

Nun kann die Energie auch von den Kernen aufgenommen werden . Es kann elastische Kernstreuung (analog zur sehr niederenergetischen Compton-Streuung durch ein Elektron. Bei diesem Vorgang interagiert ein Photon mit einem Nukleon so, dass ein Photon mit der gleichen Energie wieder emittiert wird), unelastische Kernstreuung (die Der Kern wird durch Absorption eines Photons auf ein angeregtes Niveau angehoben, der angeregte Kern wird anschließend durch Emission eines Photons gleicher oder niedrigerer Energie wieder entregt) und Delbruck-Streuung(das Phänomen der Photonenstreuung durch das Coulomb-Feld eines Kerns, auch Kernpotentialstreuung genannt, das man sich als virtuelle Paarbildung im Feld des Kerns vorstellen kann, dh Paarbildung mit anschließender Vernichtung des erzeugten Paars). Diese Prozesse sind jedoch bei Photonenwechselwirkungen vernachlässigbar.

Fazit:

Die Absorption eines Photons erfolgt nur, wenn die Quantenenergie des Photons genau mit der Energielücke zwischen dem Anfangs- und dem Endzustand des Systems übereinstimmt. (das Atom oder ein Molekül als Ganzes) , dh durch die Absorption eines Photons könnte das System auf einen höheren zulässigen quantenmechanischen Energiezustand zugreifen. Wenn es kein Paar von Energiezuständen gibt, bei denen die Photonenenergie das System vom niedrigeren in den oberen Energiezustand heben kann, dann ist die Materie für diese Strahlung durchlässig .

Wenn also eine der oben genannten Arten von Energieübergängen stattfindet, wirkt sich dies auf den Quantenzustand des Systems als Ganzes aus (überführt das System von einem Zustand in einen anderen). Man könnte also sagen, wie @annav betonte, dass es das Atom (oder das Molekül) ist, das die Strahlung absorbiert und die Energieniveaus seiner konstituierenden Partikel in Abhängigkeit von der absorbierten Energie ändert. Wie auch immer, eine Änderung des Energieniveaus des Elektrons oder der Rotations- oder Schwingungsenergieniveaus der Moleküle kann als Änderung des Quantenzustands des Moleküls angesehen werden. Es ist also besser, bei dem Konzept zu bleiben, dass das Molekül als Ganzes die Energie absorbiert und seinen Zustand in einen höheren Energiezustand ändert, indem es den Quantenzustand seiner konstituierenden Teilchen ändert.

Ich überlasse es anderen, die beteiligten detaillierten Mechanismen zu kommentieren – alles einfache mathematische Modelle, die wir verwenden, um den Prozess zu verstehen, und auf die auf verschiedenen Komplexitätsebenen zugegriffen werden kann.

Sicher ist jedoch, dass ein isoliertes Elektron ein Photon nicht vollständig absorbieren kann (Teilabsorption ist möglich und wird als Compton-Streuung bezeichnet). Es gibt einfach keine Möglichkeit, dass sowohl Energie als auch Impuls in einem solchen Prozess erhalten werden könnten. Daher findet die Absorption eines Photons im Kontext des Atoms als Ganzes statt, wo die verschiedenen Erhaltungssätze erfüllt werden können. Am einfachsten ist es vielleicht am besten, sich das Atom als Oszillator mit diskreten Energieniveaus vorzustellen, die zwischen diesen Moden angeregt oder abgeregt werden können, indem sie mit dem elektromagnetischen Feld des Lichts interagieren (oder alternativ die Energie des Lichts absorbieren oder emittieren). Photon).

Aus physikalischer Teilchenperspektive kann und kann ein Elektron (frei oder an ein Atom gebunden) ein Photon nicht absorbieren. Das Atom absorbiert das Photon und nimmt seine kinetische Energie auf. Diese kinetische Energie verursacht eine erhöhte Schwingung des Atoms, das ein weiteres Photon emittieren und/oder ein lose gehaltenes/gebundenes Elektron emittieren kann, und/oder diese Schwingung kann auf benachbarte Atome übertragen werden.

Das Elektron nimmt nur dann Energie auf, wenn es genau mit seiner Energielücke übereinstimmt Sie können hier die Impulserhaltung anwenden. Die Wellenlänge des Photons stimmt fast mit der des Elektrons überein, deshalb kann man sagen, dass das Elektron Energie absorbiert.