Wie kann man einer Gasprobe ein Photon einer bestimmten Energie zuführen, um die Elektronen anzuregen?

Absorptionslinienprofil

Die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron anzuregen, ist kein exakter Wert, sondern eine Energieverteilung , wenn auch eine sehr enge. Der Grund dafür lässt sich auf die Heisenbergsche Unschärferelation zurückführen: Die Breite$\Delta E$der Verteilung ist durch die Halbwertszeit gegeben$t_{1/2}$des angeregten Zustands, wie$\Delta E \times t_{1/2} \sim \hbar$, Wo$\hbar=h/2\pi$, mit$h$die Planck-Konstante.

Diese Verteilung ergibt das intrinsische oder "natürliche" Absorptionslinienprofil, das eine Lorentzsche ist . In der Praxis haben die Atome eines Gases eine nicht verschwindende thermische Bewegung, was zu einer Gaußschen Geschwindigkeitsverteilung führt. Dies bedeutet, dass selbst wenn das Photon ziemlich weit von der Linienmitte entfernt ist, eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass ein Atom mit der richtigen Geschwindigkeit entlang des Pfades des einfallenden Photons existiert, um das Photon durch Doppler-Verschiebung in Resonanz zu bringen.

Tatsächlich wird das Gesamtlinienprofil somit zu einer Faltung der Lorentz- und der Gauß-Verteilung, die ein Voigt-Profil ist . Dieses Profil wird von der Gaußschen in der Nähe des Linienzentrums und von der Lorentzschen in Profilflügeln dominiert.

Die folgende Abbildung zeigt die natürliche Lorentz-Verteilung (blau) und die thermische Gauß-Verteilung (rot) sowie das gesamte Voigt-Profil (gelb und schwarz gestrichelt) als Funktion der Anzahl der Doppler-Breiten (Standardabweichungen der Gauß-Verteilung) von der Linie Center. Beachten Sie die logarithmische$y$Achse.

Rückstoßeffekt

Aber Sie haben Recht, dass das einfallende Photon dem Atom Impuls und damit kinetische Energie hinzufügt. Dasselbe gilt für das reemittierte Photon. Wenn das Photon in genau die gleiche Richtung, in die es sich bewegt hat, erneut emittiert wird, ist der Nettoeffekt Null (es schiebt das Atom zuerst entlang seines Weges und dann wieder zurück). Im Allgemeinen hat das ausgehende Photon jedoch eine andere Richtung, und der Nettoeffekt dieses Rückstoßes besteht darin, dass das Photon ein wenig Energie verliert.

Es stellt sich jedoch heraus, dass diese Energie im Vergleich zu der Energie, die das Photon aufgrund der Bewegung der Atome gewinnt oder verliert, winzig ist. Für resonante Photonen zeigte Field (1959) , dass ein Photon für eine Absorption und Reemission (dh eine Streuung) einen Bruchteil der Energie von verliert

$$g = \frac{h\,\Delta\nu_D}{2 k_\mathrm{B} T},$$ Wo$\Delta\nu_D$ist die Liniendopplerbreite in Bezug auf die Frequenz,$k_\mathrm{B}$ist Boltzmanns Konstante, und$T$ist die Temperatur des Gases. Außer bei sehr niedrigen Temperaturen ist dieser Effekt im Vergleich zu anderen Verfahren vernachlässigbar.