Взаимодействие фотона и электрона в атоме

[Kotyara]

Что-то я не пойму...

В книге "Краткий курс физической химии" (В.А. Киреев), написано:

Выделение или поглощение энергии при переходах электронов может происходить только в форме монохроматических электромагнитных колебаний, т.е. электромагнитных колебаний, обладающих определенной для данного сочетания орбит длиной волны.

Во многих других источниках написано то же самое: электрон может подняться (спуститься) на другую орбиту, поглотив (испустив) фотон с энергией, соответствующей разности энергий атома с электронами на исходной и итоговой орбитах.

Но нигде я не нашел ответа на следующие вопросы:

1) Как близко от атома должен "пролетать" фотон нужной энергии, чтобы электрон все-таки поглотил его и поднялся на новую орбиту?
2) Что заставляет электрон отдать фотон и спуститься на низкоэнергетичную орбиту?
3) Что будет если в атом попал фотон с энергией, недостаточной для перехода на ближайшую орбиту?
4) Что будет если в атом попал фотон с энергией, более чем достаточной для перехода на ближайшую орбиту, но недостаточной для перехода на вторую?
5) Что будет если в атом попал фотон с энергией, чуть-чуть меньшей потенциала ионизации?

Подскажите пожалуйста кто знает и/или посоветуйте литературку для начинающих

[Darth Vasya]

1) Вопрос не имеет смысла, т.к. у фотона нет "положения" и "размеров".
2) Флуктуации нулевых колебаний поля фотонов.
3) Упругое рассеяние.
4) и 5) Неупругое рассеяние с возбуждением атома, а также - упругое.

Литературкой тут, наверное, должны быть труды Фейнмана. Квантовая механика + КЭД.

[VTur]

Только помните, что в атомах и молекулах нет ни орбит, ни орбиталей.

[Kotyara]

Я уже понял что в квантовой физике все непросто и условно

И все же:

1) Фотон ведь движется прямолинейно. И если он движется где-то далеко от рассматриваемого атома, да еще и не в ту сторону, то взаимодействия явно не будет. Луч лазера направляют на мишень - и фотоны взаимодействуют с ее атомами. Поэтому хоть какое-то пространственное условие взаимодействия должно быть. Или нет?

2) Ааа... ээ... то есть что-то вроде случайности?

3) В переводе для чайников: фотон полетел своей дорогой, а атом остался в прежнем энергетическом состоянии?

4) и 5) То есть: атом все же возбудился, но фотон (за вычетом потраченной на возбуждение атома энергии) полетел дальше?

[Darth Vasya]

1) Фотон никуда не движется и не может находиться "близко" или "далеко". Где-то находиться может волновой пакет (и куда-то двигаться),

2) Флуктуации.

3) Более-менее. Фотон теряет часть энергии (импульса), атом приобретает скорость, кинетическая энергия системы сохраняется.

4) и 5) Да. Плюс изменение скорости атома.

[duke2003]

Про первый вопрос.
Очень часто фотон(ы) рассматривают как плоскую гармоническую э\м волну с заданной частотой. Эта модель имеет ряд преимуществ и недостатков.
Главные недостатки: формально таких волн не существует в природе, так как при фиксированной частоте, дисперсия координаты (скажем грубо дельта икс) равна нулю, т.е. нет нет определенного геометрического места положения фотона. Он может быть здесь, а может на 5 световых лет отсюда. Те же приколы с энергией, при заданной интенсивности волны (модуль электрического или магнитного поля, плотность энергии ~ E^2, а интегрировать приходиться от - до + бесконечности -> бесконечная энергия. Интереса ради постройте графики E(x), E(y), E(z) для плоской волны
Все эти "приколы" уходят при рассмотрении волнового пакета, где дисперсия по частоте и, следовательно, по координате на равны нулю, а связанны между собой известным соотношением неопределенности.

[Kotyara]

Благодарю, теперь я более-менее понял. Остался только таинственный волновой пакет. То есть как я понял это некоторая математическая абстракция, позволяющая вести расчеты разных взаимодействий с участием фотонов.

И наверное опять, традиционно для квантовой физики, "мы можем знать лишь вероятность", то есть раз во много лет атом может повзаимодействовать с фотоном из соседней комнаты. Так ли?

И нет ли простой программы для моделирования взаимодействия фотона с атомом?

[duke2003]

Благодарю, теперь я более-менее понял. Остался только таинственный волновой пакет. То есть как я понял это некоторая математическая абстракция, позволяющая вести расчеты разных взаимодействий с участием фотонов.

Нет, просто реальные э\м волны (пакеты) более сложны чем идиализированная плоская волна, но могут быть разложенны по плоским волнам (тут уже пошла математика).

И наверное опять, традиционно для квантовой физики, "мы можем знать лишь вероятность", то есть раз во много лет атом может повзаимодействовать с фотоном из соседней комнаты. Так ли?

Вряд ли такое событие происходило когда-либо. Читайте подробнее про волновые функции.

И нет ли простой программы для моделирования взаимодействия фотона с атомом?

Не знаю.

[Darth Vasya]

Про первый вопрос.
Те же приколы с энергией, при заданной интенсивности волны (модуль электрического или магнитного поля, плотность энергии ~ E^2, а интегрировать приходиться от - до + бесконечности -> бесконечная энергия.

Нормировка, нормировка!

В нерелятивистских квантах обычно плоскую волну, задаваемую волновым вектором k и матрицей поляризации, нормируют на дельта-функцию (k,k') или на "одну частицу в ящике со стороной l", устремляя потом размер ящика к бесконечности. Но фотонов там как таковых нет, все излучательные процессы (в т.ч. - распад возбуждённого состояния) рассчитывают как "индуцированные".

В релятивистских всё сложнее, там обычно применяют аппарат вторичного квантования и т.д. Тогда с энергией нет никаких проблем - кроме, само собой, ИК- и УФ-расходимостей и прочих перенормировок

[duke2003]

Про первый вопрос.
Те же приколы с энергией, при заданной интенсивности волны (модуль электрического или магнитного поля, плотность энергии ~ E^2, а интегрировать приходиться от - до + бесконечности -> бесконечная энергия.

Нормировка, нормировка!

В нерелятивистских квантах обычно плоскую волну, задаваемую волновым вектором k и матрицей поляризации, нормируют на дельта-функцию (k,k') или на "одну частицу в ящике со стороной l", устремляя потом размер ящика к бесконечности. Но фотонов там как таковых нет, все излучательные процессы (в т.ч. - распад возбуждённого состояния) рассчитывают как "индуцированные".

В релятивистских всё сложнее, там обычно применяют аппарат вторичного квантования и т.д. Тогда с энергией нет никаких проблем - кроме, само собой, ИК- и УФ-расходимостей и прочих перенормировок

Я такие штуки уже благополучно забыл, по этому заюзал лишь классический эддин, там, вроде плоскую волну на дельту не нормировали.

[Kotyara]

да.. через пару лет наверное я пойму смысл двух последних сообщений


а вот сегодня мужик работающий на спектрометре объяснял мне, что если энергия фотона не соответствует ни одному из возможных в данном атоме электронных переходов, то фотон просто пролетит "не заметив" атом, и даже скорость атома не изменится. Атом окажется прозрачным для фотона.

Где истина?!

[duke2003]

да.. через пару лет наверное я пойму смысл двух последних сообщений


а вот сегодня мужик работающий на спектрометре объяснял мне, что если энергия фотона не соответствует ни одному из возможных в данном атоме электронных переходов, то фотон просто пролетит "не заметив" атом, и даже скорость атома не изменится. Атом окажется прозрачным для фотона.

Где истина?!

Могу соврать, но возможно, все дело в вероятности фотона рассеяться на атоме (т.е. отклониться под определенным углом). Возможно, что она просто очень мала, т.е. из грубо 10^6 фотонов один отразиться куда-то, а остальные пролетят ничего не заметив, как "мужик сказал".

[ИСН]

Она не то чтобы очень мала, иначе бы рамановской спектроскопии не существовало. По-разному бывает.

[Darth Vasya]

ИСН: Ох, не знаю, можно ли говорить о комбинационном рассеянии на атомах...

[eukar]

Можно! Особенно если их в молекуле больше 1

[Darth Vasya]

Я бы всё-таки скорее говорил о рассеянии на колебаниях (фононах)...

И вообще, плохо себе представляю, где в молекуле кончается один атом и начинается другой. Ядра есть, электроны есть, а атомы там где?

[Белая Глазурь]

3,4,5. кроме электронных уровней у молекулы существуют еще колебательные и вращательные энергетические уровни

[Jeffry]

1) У атома или у иона (в составе какого-либо вещества) есть ещё такая характеристика - поперечное сечение поглощения(и аналогично - излучения). Функция формы линии - спектральная характеристика этих поперечных сечений. Поперечные сечения поглощения и эмиссии взаимно связаны.
2) Плотность фотонных мод. Есть спонтанное излучение у возбужденного атома, и есть вынужденное излучение. Почитайте о них.
Только фотон отдает атом (ион...), а не электрон.
3) Как в песне: ...Он прошёл и не заметил...
4) Зависит от того, был поглощен фотон или нет. Если энергия совпала с энергией перехода, возможен резонансный (нуль-фононный) переход, а если не совпала - возможен переход с участием фононов (одного, двух и т.п. - чем больше частиц, тем менее вероянтее). Это зависит от энергии фононов в веществе.
5) Там по потенциалом ионизации еще много возбужденных состояний.

[Белая Глазурь]

1. а нам в филиале МГУ Пущино говорили, что это дипольный момент перехода
2. Господи, что это? у меня есть подозрение, что Вы физик - пожалуйста дайте почитать про фотонные моды! это для меня совсем новый термин!
3. я говорила про переход по колебательным и вращательным уровням, для чего энергия фотона нужна меньше.
4. а что такое нуль-фотонный переход?

[Jeffry]

Сам факт пребывания возбужденного атома (иона) в электромагнитном поле сильно влияет на время жизни возбужденного состояния.
Плотность числа фотонов в единичном энергетическом (или частотном) интервале - плотность фотонных мод - это термин из стат. термодинамики (напр., у Киттеля можно найти в кн. "Статистичекая термодинамика").
Я это представляю примерно так. Фотоны, как и электроны описываются волновым уравнением - аналогом ур. Шрёдингера, а моды - аналоги орбиталей - решения этого волнового уравнения. Соответственно, плотность фотонных мод (наверно понятнее было бы говорить - плотность электромагнитного поля - ну уж, что вырвалось, то вырвалось) укорачивает время жизни возбужденного состояния.
Продолжая аналогию фотонов и электронов, можно сказать, что для фотонов есть некий аналог принципа Паули - вернее, анти-принцип - он-то и требует укорачивания времени жизни в возбужденном состоянии атома, чтобы фотоны "воссоединились в едином состоянии".
А по поводу поперечных сечений - вот - нашел перевод одной статейки.

нуль-фотонный переход

Я писал - нуль-фоНонный - без участия фононов.