Wie können wir anhand von Streudaten feststellen, ob sich ein Molekül im thermodynamischen Gleichgewicht befindet?

Wir haben ein Molekül, das Photonen emittiert/absorbiert. Wir kennen den Hamiltonoperator und dass es mehrere Ebenen gibt. Wir zählen die emittierten Photonen bei verschiedenen Winkeln und Frequenzen. Wir können auch mit einem Photonenstrahl streuen. Können wir aus den Absorptionsdaten bestimmen, ob das System jedes Energieniveau mit einer thermischen Wahrscheinlichkeitsverteilung einnimmt? Dh ich meine damit einen Energie-Eigenzustand ich mit Energie E ich ist mit Wahrscheinlichkeit proportional zu belegt e − β E ich . Wie machen wir das experimentell?

Wie können wir als einfaches Beispiel feststellen, ob sich ein Wasserstoffatom in einem thermischen Zustand befindet? Können wir das auf größere Moleküle verallgemeinern?

Naiv betrachtet würde ich sagen, sobald wir das System mit Photonen bestrahlen, die eine andere Statistik haben als die Schwarzkörperstrahlung bei der Temperatur der Umgebung, ist das System nicht mehr im Gleichgewicht. Die Wärmestrahlung selbst sollte das System jedoch ins Gleichgewicht bringen, wenn wir "lange genug" warten.
Ich habe eine (ungefähr aus dritter Hand) Geschichte über Menschen, die ein Gleichgewicht annahmen und später herausfanden, dass es nicht so war. Ihr System zeigte eine anisotrope Doppler-Verbreiterung, was eine Möglichkeit darstellt, ein Gleichgewicht auszuschließen.
Was bedeutet "Wasserstoffatom befindet sich in einem thermischen Zustand" ? Atome werden normalerweise nicht als thermodynamische Systeme betrachtet.

Antworten (2)

Interessante Frage. Ich hätte gedacht, dass Sie, wenn Sie die genaue Anzahl der Energiezustände und deren Populationen kennen, die Boltzmann-Statistik auf jedes der Niveaus anwenden könnten, um eine geeignete Temperatur für die Population in jedem Zustand anzupassen. Diese Temperatur, wenn sie unter den eingeschlossenen Niveaus vergleichbar ist, würde daher erfordern, dass sich das System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Die Temperatur, die die Besetzung der Zustände auf diese Weise definiert, wird Anregungstemperatur genannt.

Können Sie etwas konkreter werden? Wie genau würden Sie das Spektrum erwarten? Müssen Sie Übergangsraten berücksichtigen?

Die einzige Temperatur, die in Ihrer Frage sinnvoll wäre, ist die Temperatur der thermischen Verteilung der Photonen (wenn das Photonengas thermalisiert ist). Nehmen wir also an, wir haben ein Photonengas im Gleichgewicht. Sein chemisches Potenzial ist μ = 0 weil Photonen keinen Grundzustand haben.

Betrachten Sie nun das Atom. Eine der Eigenschaften eines Atoms ist, dass die Energieniveaus diskret sind und die Energielücke zwischen zwei Niveaus endlich ist. Beispielsweise ist in einem harmonischen Oszillator die Lücke gleich ℏ ω . Um ein Photon zu emittieren oder zu absorbieren, ändert das Atom seine Energie um einen Energiebetrag ungleich Null. Daher wirkt das Atom als ein System mit endlichem chemischen Potential.

Da die chemischen Potentiale des Atoms und des Photonengases nicht gleich sein können, ist ein Gleichgewicht zwischen ihnen nicht möglich.

Wie können wir anhand von Streudaten feststellen, ob sich ein Molekül im thermodynamischen Gleichgewicht befindet?
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