Woher wissen Photonen, dass sie Elektronen in Atomen anregen können oder nicht?

Wenn Sie ein isoliertes Wasserstoffatom nehmen, dann sitzt das Elektron in wohldefinierten Atomorbitalen, die Eigenfunktionen der Schrödinger-Gleichung sind. Dies ist ein stabiles System, das sich mit der Zeit nicht ändert.

Führt man nun ein oszillierendes elektromagnetisches Feld (zB Licht) ein, so ändert sich der Potentialterm in der Schrödinger-Gleichung und die Wasserstoffatomorbitale sind keine Eigenfunktionen der Schrödinger-Gleichung mehr. Das Elektron kann also nicht mehr als a beschrieben werden$1s$oder$2s$oder welches Orbital auch immer, sondern das Elektron und das Photon haben jetzt eine einzige zeitabhängige Wellenfunktion, die beide beschreibt. Was als nächstes passiert, hängt davon ab, wie sich diese neue Wellenfunktion mit der Zeit entwickelt. Wenn sich das Photon entfernt, erwarten wir, dass sich die neue Wellenfunktion in einen von drei möglichen Endzuständen entwickelt:

1. das Elektronenorbital bleibt unverändert

2. das Elektron in einem anderen Atomorbital (dh es wurde angeregt) und kein Photon

3. das Elektron in einem anderen Atomorbital (dh es wurde angeregt) und ein Photon mit einer anderen Energie

Sie können nicht vorhersagen, was passieren wird, aber Sie können die Wahrscheinlichkeit der drei Endzustände berechnen. Was Sie feststellen, ist, dass die Wahrscheinlichkeit von (2) nur hoch ist, wenn die Photonenenergie gleich dem Energieabstand zwischen Atomorbitalen ist, die Wahrscheinlichkeit von (1) nähert sich Eins, wenn die Photonenenergie nicht mit einem Energieabstand in übereinstimmt Atom, und die Wahrscheinlichkeit von (3) ist im Allgemeinen vernachlässigbar.

Das Photon muss also nicht wissen, ob es die richtige Energie hat oder nicht. Das Photon und das Atom interagieren, um ein einziges System zu bilden, und dieses entwickelt sich mit der Zeit gemäß der Schrödinger-Gleichung.

Transparente Medien sind transparent, weil das einfallende Photon keinem der verfügbaren Energieniveaus entspricht, um seine Energie auf das Atom oder Molekül oder den Kristall zu übertragen.

Eine klassische Analogie besteht darin, sich Energieniveaus als Sieblöcher unterschiedlicher Größe vorzustellen, die nur Teilchen einer bestimmten Größe passieren lassen. Nicht eine Frage des Wissens oder der Anpassung, sondern die inhärente Größe der Sieblöcher.

Die Energieniveaus, in denen die Elektronen verweilen, wenn sie an Materie gebunden sind, sind spezifisch und werden durch die in das Problem eintretenden Potentiale definiert. Wenn das Photon die richtige Frequenz hat, interagiert es mit dem Atom/Molekül/Gitter und die Energie, die es trägt, wird vom Atom/Molekül/Gitter absorbiert und das Elektron wird entweder ausgestoßen oder geht einfach auf ein höheres Energieniveau und Zurückfallen gibt ein neues Photon ab.

Die Energie wird nicht kontinuierlich abgegeben, sondern mit den richtigen Quanteninkrementen, die durch die Materie definiert sind, auf die sie trifft.

Es gibt freie Elektronen und sie interagieren mit Photonen . In diesem Fall kann ein Photon seine Energie auf nicht quantisierte Weise verlieren, wodurch die Energie des Elektrons erhöht wird und ein Photon mit niedrigerer Energie wird. Das ist eine andere Geschichte.

Die Energie des Elektrons ändert sich bei seiner Wechselwirkung mit Photonen, wenn es mehr erreicht, wird es angeregt, ansonsten bleibt es in seiner Position, obwohl es mit dem Photon interagiert, und es kommt während des Zerfalls zurück, um das Photon freizusetzen. Daher kennen Photonen das Energieniveau nicht, das sie erzeugen, aber es geschieht durch Wechselwirkung.