Wie schnell emittiert ein Elektron das absorbierte Photon zurück?

Diese Frage betrifft zwei Fälle: an einen Kern gebundene Elektronen und freie Elektronen.

Gebundene Elektronen

Betrachten wir der Einfachheit halber das Wasserstoffatom. Soweit ich weiß, sollte die Energie des Photons, um das Elektron anregen zu können, in diskreten Werten vorliegen, die der Differenz zwischen den Energieniveaus innerhalb des Wasserstoffatoms entsprechen. Übrigens in diesem Link heißt es in der Antwort, dass nicht die Elektronen das Photon absorbieren, sondern das Atom im Allgemeinen, was für mich Sinn macht (bitte korrigieren oder klären, wenn falsch).

Die Frage ist, wie lange das Elektron in diesem angeregten Zustand bleibt, dh wie schnell das Photon zurück emittiert wird. Ist es für alle Energieniveaus und alle Bedingungen wie Partikeldichte (wenn viele Atome zusammen sind), Temperatur, Vorhandensein eines elektrischen Feldes, Kernstruktur (Neutronenzahl) usw. gleich?

Freie Elektronen

Auch hier absorbieren freie Elektronen gemäß demselben Link keine Photonen, was bedeutet, dass sie nur einer Compton- Streuung unterliegen. Ist das richtig? Wenn nicht, wie lange dauert es, bis das Photon zurück emittiert wird? Ist der Energiegewinn dauerhaft?

Antworten (2)

Die Antwort besagt, dass nicht die Elektronen das Photon absorbieren, sondern das Atom im Allgemeinen.

Das stimmt, das System Kern-Elektronen nimmt die Energie auf. In der üblichen Näherung eines ruhenden Kerns (aufgrund seiner viel größeren Masse eine gute Näherung) spricht man davon, dass die Orbitale des Elektrons auf ein höheres Energieniveau gehen.

Die Frage ist, wie lange das Elektron in diesem angeregten Zustand bleibt, dh wie schnell das Photon zurück emittiert wird.

Die Frage wird durch die Breite der Spektrallinie durch die Energie-Zeit-Unsicherheit beantwortet , obwohl man, um die richtige Zahl zu erhalten, die allgemeine Verbreiterung untersuchen muss, die existieren kann.

was bedeutet, dass sie nur Compton-Streuung unterliegen.

Dies ist richtig, obwohl ich alle Arten von Streuungen einbeziehen würde (Compton ist hochenergetisch).

Wenn es das System Kern-Elektronen ist, das die Energie absorbiert, dann ist es dasselbe System, das das Energieniveau ändert, nicht nur ein Elektron.
@Ruslan ja, aber ich, weil der Kern so winzig und so viel schwerer ist, sprechen wir von Elektronen in Orbitalen, als ob der Kern in Ruhe wäre und seine Orbitale auf so kleine Radien beschränkt sind
Mein Punkt ist, dass Sie im ersten Teil des Satzes über das Kern-Elektronen-System sprechen und im zweiten stillschweigend eine Näherung mit festem Kern annehmen, wodurch das zu beantwortende Zitat und der erste Teil Ihres Satzes ungültig werden.
@Ruslan habe ich geklärt
@annav In Ihrer Antwort schrieben Sie : "Die Masse des Elektrons ist festgelegt, und wenn es ein Photon absorbieren könnte - am Massenmittelpunkt des Elektrons - müsste sich die Masse ändern, was den Beobachtungen widerspricht. " Aber in diesem Link, den Sie bereitgestellt haben, heißt es : "Die Messung der Massenenergie eines instabilen Teilchens mit einer großen Anzahl von Malen ergibt eine Energieverteilung, die als Lorentz- oder Breit-Wigner-Verteilung bezeichnet wird" . Wie beobachten wir die Verteilung, wenn die Elektronenmasse konstant ist?
@Xfce4 Das Elektron ist stabil, soweit unsere Messungen erkennen können, sodass der Kommentar nicht darauf zutrifft. Die Verteilung eines stabilen Teilchens ist eine Delta-Funktion en.wikipedia.org/wiki/Dirac_delta_function , was bedeutet, dass wir in einem Experiment zur Messung der Elektronenmasse nur die experimentelle Fehlerverteilung erhalten würden.
@annav Ok, aber wenn die Verteilung nur auf einen experimentellen Fehler zurückzuführen ist, wie können wir dann anhand einer solchen Verteilung bestimmen, wie lange das Elektron im angeregten Zustand bleibt?
@ Xfce4 Ich spreche von Experimenten, die die Masse des Elektrons messen . Die Übergangsenergien in Atomen sind viel größer als die experimentellen Fehler bei der Messung der Masse des Elektrons. siehe arxiv.org/abs/1406.5590 . In atomaren Masseneinheiten = 0,000 548 579 909 067 (14) (9) (2) siehe die Veröffentlichung für die Fehler (die Zahlen in Klammern) Gleichung 5).
@annav Die Frage lautet: "Wie schnell emittiert ein Elektron das absorbierte Photon zurück?" In Ihrer Antwort haben Sie diesen Link angegeben . Ich verstehe nicht, wie uns diese Verbindung helfen soll, wenn die Masse des Elektrons immer konstant ist.
@Xfce4 Die feste Masse des Elektrons (und des Kerns) wird bei der Berechnung der Spektren zum Beispiel für Wasserstoff verwendet, die Breite ergibt sich aus den hier angegebenen Gründen www-star.st-and.ac.uk/~kw25/teaching/ Nebel/… , keine Variation der Masse, sondern der HUP-Wahrscheinlichkeitsraumhülle.
@annav Oh, die Verteilung impliziert nicht, dass sich die Masse ändert, obwohl sie so ausgedrückt wird E 0 = M 0 C 2 . Die Verteilung dient dazu, die Menge an Unsicherheit in der Energie zu finden. Daraus leiten wir die Zeitunsicherheit ab, und das gibt eine Vorstellung von der durchschnittlichen Zeit, in der das Elektron in den Grundzustand zurückkehrt, nehme ich an. Danke schön.

Ein isoliertes Atom in einem angeregten Zustand würde dort für immer verbleiben. Das Atom interagiert jedoch notwendigerweise mit einem elektromagnetischen Feld, anderen Atomen usw., was dazu führen würde, dass es das Photon erneut aussendet. Einige dieser Prozesse, wie z. B. spontane Emission, sind unabhängig von der Temperatur und anderen Bedingungen. Andere, wie stimulierte Emission oder Relaxation aufgrund von Kollisionen mit anderen Atomen, können temperaturabhängig sein.

Ein isoliertes Atom in einem angeregten Zustand würde dort für immer verbleiben. Das Atom interagiert jedoch zwangsläufig mit ... Das Teil ist so cool. Wenn ich mir die QM-Interpretation von Orbitalen ansehe, würde ich dies erwarten. Denn sobald die WF des Elektrons in ein Orbital passt (wie ein Teilchen in einer 1-D-Box), warum sollte es seinen Zustand ohne Unterbrechung ändern? Wenn es für Elektronen obligatorisch wäre, ohne Umweltfaktor in niedrigere Orbitale zu fallen, würden sie sich dann nicht immer gleich verhalten und mit der gleichen Dauer fallen? Aber sind Sie sich trotzdem sicher, dass diese Aussage richtig ist?
Ja. Aber normalerweise ist ein Atom an ein elektromagnetisches Feld gekoppelt, selbst wenn es sich im Vakuum befindet. Deshalb sendet es schließlich spontan ein Photon aus. Dies wird als natürliche Lebensdauer eines angeregten Zustands bezeichnet
...normalerweise ist ein Atom an ein elektromagnetisches Feld gekoppelt, auch wenn es sich im Vakuum befindet. Handelt es sich bei dieser Aussage aus der Quantenfeldtheorie um die Felder, die das ganze Universum überziehen, oder meinen Sie das klassische elektromagnetische Feld zwischen Elektron und Proton?
Es ist eine Quantenaussage - mit klassischem Em-Feld kann keine spontane Emission abgeleitet werden.
Wie schnell emittiert ein Elektron das absorbierte Photon zurück?
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