Что происходит с электроном в молекуле после того, как он поглотил фотон и совершил переход?

В общем случае возбужденный уровень спонтанно падает на более низкий уровень или даже каскадно возвращается назад, если между ними существует соответствующий уровень. Каждый квантово-механический уровень имеет ширину, которая определяется его вероятностью поглощения электрона, если он пуст, или испускания, если он заполнен.

Изучение того, как делаются лазеры, которым нужен перенаселенный уровень, которому нужен триггер для перехода на более низкую энергию, поучительно:

Достижение значительной инверсии населенностей в атомных или молекулярных энергетических состояниях является предварительным условием лазерного действия. Электроны обычно находятся в самом низком доступном энергетическом состоянии. Они могут быть переведены в возбужденное состояние за счет поглощения, но за счет одного только поглощения невозможно накопить значительное количество электронов, поскольку как спонтанное, так и вынужденное излучение вернут их обратно.

Инверсия населенности не может быть достигнута только с двумя уровнями, потому что вероятность поглощения и спонтанного излучения точно такая же, как показано Эйнштейном и выражено в коэффициентах Эйнштейна A и B. Время жизни типичного возбужденного состояния составляет около 10-8 секунд, поэтому с практической точки зрения электроны падают обратно за счет испускания фотонов примерно так же быстро, как вы можете накачать их на верхний уровень.

Лазерные лучи нуждаются в тщательной конструкции, как вы можете видеть по этой ссылке .

Электронные состояния молекулы являются собственными функциями независимого от времени уравнения Шредингера (с некоторыми приближениями, такими как приближение Борна-Оппенгеймера ). Это означает, что эти состояния не зависят от времени, поэтому основное состояние никогда не перейдет в возбужденное состояние, а возбужденное состояние никогда не вернется обратно в основное состояние.

Однако в присутствии фотона у нас также есть колеблющееся электрическое поле фотона, и это добавляет новый член к уравнению Шредингера, так что основное и первое возбужденные состояния больше не являются собственными функциями, и они могут смешиваться. Таким образом, объединенная система основного состояния плюс фотон имеет долю возбужденного состояния, а это означает, что существует вероятность того, что при наблюдении за молекулой мы обнаружим, что она находится в возбужденном состоянии.

Мы можем рассчитать эту вероятность, используя теорию возмущений, и уравнение называется золотым правилом Ферми . Выполнение этого расчета говорит нам, насколько вероятно, что фотон продвинет атом в возбужденное состояние, и мы обнаружим, что это зависит от энергии фотона, и вероятность высока только тогда, когда энергия фотона соответствует разнице энергий между состояниями.

Этот расчет точно такой же, если сделать в обратном порядке. Если мы начнем с возбужденного состояния, то сможем рассчитать вероятность его перехода обратно в основное состояние плюс фотон, и это даст нам время жизни возбужденного состояния. Этот процесс распада является спонтанным излучением, которое вы упомянули в своем вопросе. Это происходит потому, что возбужденное состояние содержит долю смешанного основного + фотонного состояния.

В возбужденных состояниях электроны не остаются постоянными. Они постоянно колеблются; однако этого колебания недостаточно, чтобы вернуться в основное состояние. Есть внешние эффекты, с которыми взаимодействует наш возбужденный электрон. Как космические фоновые лучи. Когда космические фоновые волны касаются возбужденных состояний, электроны возвращаются в свое основное состояние. Эта ситуация также отвечает смыслу принципа неопределенности энергии и времени.$\Delta E \Delta t \ge \hbar/2$. С$\Delta E$не может быть нулевым, так как есть флуктуация, поэтому$\Delta t$не бесконечен. Но в основном состоянии, где флуктуации не существует, электрон может оставаться с бесконечным$\Delta t$

Не существует экспериментальных средств, с помощью которых можно заставить атом "поглощать фотон... переходить в более высокое энергетическое состояние". Что вы можете сделать, так это направить свет на атомы и измерить интенсивность рассеянного света. Это ЕДИНСТВЕННЫЙ из когда-либо проводившихся экспериментов, посвященный предмету этого вопроса. Представление о том, что рассеянный свет (который вы можете измерить) является результатом того, что некоторые из этих атомов «поглощают фотоны», «переходят в более высокие энергетические состояния» и «переходят (обратно) в более низкие энергетические состояния (посредством) спонтанного излучения». ...все это теоретические построения, вытекающие из определенных интерпретаций квантовой теории. Они никогда не наблюдались напрямую и не могут наблюдаться напрямую.

Есть и другой способ проанализировать этот эксперимент, не прибегая к понятию фотонов. Вы можете рассматривать электрон в атоме как гармонический осциллятор, чья константа k (пружина) легко вычисляется из уравнения Шредингера. Вы можете преобразовать интенсивность падающего света в колеблющееся электрическое поле. Вы можете применить классическую механику к колеблющемуся полю и заряженному гармоническому осциллятору, чтобы вычислить величину колебаний. Затем вы можете использовать классическую теорию антенн для расчета результирующего рассеяния.

Если вы сделаете все это (и сделаете это правильно), вы получите правильный ответ для рассеянного излучения. Вы получите тот же результат, который наблюдаете на опыте. Вы получите правильный ответ. Не нужно говорить о поглощении фотонов и спонтанном излучении.

Между прочим, если я ошибаюсь в том, что вы получаете правильный ответ, я, конечно, НЕ ошибаюсь в том, что вы можете сделать расчет, который я изложил выше. Прежде чем кто-либо понизит мой ответ, они должны на самом деле сделать расчет для, скажем, атома водорода, и показать мне, что они получают ответ, отличный от эксперимента.

Вы можете увидеть некоторые из моих расчетов по этому поводу по ссылкам, включенным в мой блог « Для фотонов нет гороховых стрелков ».