Was bringt ein Elektron dazu, auf ein niedrigeres Energieniveau zu springen?

Sie fragen nach Elektronenentregung, und es gibt grundsätzlich zwei Haupttypen von Prozessen, auf jeden Fall bewegt sich das Elektron / Atom-System auf ein niedrigeres Energieniveau, wenn ein solches niedrigeres Energieniveau verfügbar ist:

1. spontane Emission:

In diesem Fall geht das angeregte Atom/Elektron-System auf ein niedrigeres Energieniveau über, während es ein Photon emittiert. Diese Form der Emission ist hauptsächlich ein QM-Phänomen, und Sie fragen, warum es passiert. In diesem Fall ist die Antwort die Quantenmechanik selbst, ein Auslöser für den Prozess kann nur mit den Erklärungen in QED und Vakuumfluktuationen verstanden werden.

Spontane Emission im freien Raum hängt von Vakuumschwankungen ab, um in Gang zu kommen.[7][8]

https://en.wikipedia.org/wiki/Spontaneous_emission

2. stimulierte Emission

In diesem Fall kann ein ankommendes Photon einer bestimmten Frequenz mit dem Elektron/Atom-System interagieren und bewirken, dass es auf ein niedrigeres Energieniveau übergeht.

Die freigesetzte Energie wird auf das elektromagnetische Feld übertragen und erzeugt ein neues Photon mit einer Phase, Frequenz, Polarisation und Ausbreitungsrichtung, die alle mit den Photonen der einfallenden Welle identisch sind. Dies steht im Gegensatz zur spontanen Emission, die in zufälligen Intervallen ohne Rücksicht auf das umgebende elektromagnetische Feld auftritt.

https://en.wikipedia.org/wiki/Stimulated_emission

Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass ich überall eine Photonenemission erwähnt habe, aber es gibt hauptsächlich zwei Arten solcher Prozesse, strahlende und nicht strahlende Übergänge. Bei letzterem wird kein Photon emittiert.

Nur eine Anmerkung, es gibt auch andere Formen von Übergängen, wie feine und hyperfeine Übergänge.

Bevor Sie zu den quantisierten atomaren Ebenen gehen, bedenken Sie, dass es in der klassischen Physik das Prinzip der minimalen potentiellen Gesamtenergie gibt

Ein rollender Ball landet stationär am Fuß eines Hügels, dem Punkt minimaler potentieller Energie. Der Grund dafür ist, dass, wenn es unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten rollt, die durch seine Bewegung erzeugte Reibung Energie in Form von Wärme der Umgebung mit einer damit einhergehenden Zunahme der Entropie überträgt.

Prinzipien haben die Stärke von Axiomen in den Theorien der Physik, sie werden auferlegt, weil dann die mathematischen Theorien zu den Beobachtungen passen und neue Vorhersagen treffen.

Dieses Prinzip wird in dem Fall übernommen, in dem eine Quantisierung auferlegt wird, sodass die Elektronen um den Kern, anstatt dem Prinzip der minimalen Energie zu folgen und den Kern zu neutralisieren, in stabilen Umlaufbahnen bleiben, wodurch sich Atome und Festkörper bilden können. Wenn ein unteres Orbital leer ist, erzwingt das Prinzip innerhalb der Wahrscheinlichkeitsregeln der Quantenmechanik den Zerfall in dieses Orbital, solange es einen Weg gibt, die zusätzliche Energie abzuleiten, und das ist die Emission eines Photons.

aus dem link

Ein freies Proton und ein freies Elektron neigen dazu, sich zu verbinden, um den niedrigsten Energiezustand (den Grundzustand) eines Wasserstoffatoms zu bilden, die stabilste Konfiguration. Dies liegt daran, dass die Energie dieses Zustands um 13,6 Elektronenvolt (eV) niedriger ist, als wenn die beiden Teilchen unendlich weit voneinander entfernt wären. Die Dissipation in diesem System erfolgt in Form einer spontanen Emission elektromagnetischer Strahlung, die die Entropie der Umgebung erhöht.

Das Absinken auf das untere Niveau für Elektrionen in einem Atom. ist auf spontane Emission zurückzuführen . Man kann sich vorstellen, dass dies auf den Einfluss von Nullpunktsenergie-Vakuumfluktuationen im elektromagnetischen Feld auf den angeregten Zustand zurückzuführen ist. Die notwendige Existenz spontaner Emission wurde 1916 von Einstein in Form von A- und B-Koeffizienten abgeleitet – lange bevor die Idee von Quantenfeldern oder gar Nullpunktsenergie aufkam.

Warum fällt ein Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau? Warum-Fragen liegen oft außerhalb des Bereichs der Physik. Die Physik sagt, wie sich das Universum verhält, nicht warum.

Aber manchmal kann man sagen, warum. Manchmal wird ein Gesetz von einem einfacheren Gesetz abgeleitet. Warum funktioniert das komplexe Gesetz? Weil es eine Folge des einfacheren Gesetzes ist. Vielleicht fragen Sie sich immer noch, warum das einfachere Gesetz wahr ist. Oder Sie sind vielleicht so an das einfachere Gesetz gewöhnt, dass es sich zufriedenstellend anfühlt. Die einfachsten Gesetze werden durch Übereinstimmung mit Experimenten gerechtfertigt.

In diesem Fall können wir damit beginnen, dass ein klassisches Elektron von einem Proton angezogen wird. Protonen üben auf Elektronen eine Anziehungskraft aus. Dies ist das einfachere Gesetz, das ich nicht weiter erklären kann. (Es gibt quantenmechanische Erklärungen für die Anziehung. Aber Sie werden an einen Punkt kommen, an dem Sie nicht erklären können, warum die Quantenmechanik funktioniert. Sie stimmt einfach mit Experimenten überein.)

Das Proton hat ein elektrisches Feld um sich herum. Sie können komplexere Gesetze definieren: Die Kräfte auf ein Elektron hängen nur von seiner Position ab.

Aus den Eigenschaften der Kräfte erfährst du das$PE + KE$wird konserviert.

In diesem Fall kann man sagen, dass ein Elektron dazu neigt, sich zu einer niedrigeren Energieposition zu bewegen, weil Kräfte zu niedrigeren Energiepositionen zeigen und Elektronen in Richtung der Kräfte beschleunigt werden.

Die gleiche Art von Argument kann für quantenmechanische Elektronen und Protonen angeführt werden, aber es ist schwieriger. Es ist einfacher und natürlicher, direkt mit Energie zu arbeiten. Aus diesem Grund neigen Physiker dazu, mit Energie zu arbeiten und denken, dass der Übergang zu niedrigerer Energie das einfachste Gesetz ist.

Ein quantenmechanisches Elektron ist kein Punktteilchen. Es hat keine einzige Position, also kann man nicht sagen, dass ein einziger Kraftwert darauf wirkt. Es hat keine Flugbahn. Sie können sich also nicht integrieren$F \cdot d$über die Flugbahn zu bekommen$PE$.

Aber es hat eine Wellenfunktion. Es gibt einen Zeitentwicklungsoperator, mit dem Sie die Wellenfunktion zu zukünftigen Zeiten berechnen können. Sie können wahrscheinliche Positionsverteilungen aus Wellenfunktionen berechnen. Daraus können Sie zeigen, dass Elektronen dazu neigen, sich in Richtung Protonen zu bewegen.

Sie können auch zeigen, dass die Unschärferelation sie davon abhält, sich zu nahe zu kommen. Ein Elektron, das einem Proton sehr nahe ist, hat eine kleine Ortsunsicherheit. Daher hat es eine hohe Impulsunsicherheit. Ein Elektron, das einen hohen Impuls haben kann, wird sich wahrscheinlich nicht in der Nähe eines Protons aufhalten. Orbitale sind stabile Konfigurationen, bei denen es ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Tendenzen gibt, angezogen zu werden und sich zu entfernen.

Orbitale mit höherer Energie sind im Allgemeinen größer als Orbitale mit niedrigerer Energie. Ein Elektron tendiert also dazu, sich zu Orbitalen mit niedrigerer Energie zu bewegen. Klassischerweise würde es dabei kinetische Energie gewinnen. Quantenmechanisch emittiert es stattdessen die Energie in einem Photon.

Das Verhalten des quantenmechanischen Elektrons wird durch quantenmechanische Gesetze bestimmt. Eines der Hauptgesetze ist die Schrödinger-Gleichung. Es ist eine quantenmechanische Version des klassischen Energieerhaltungssatzes. Man kann also sagen, dass sich quantenmechanische Elektronen aus demselben Grund zu niedrigeren Energiepositionen bewegen wie ein klassisches Elektron.