Как электрон поглощает или излучает свет?

Атом — это не что иное, как связанное состояние электронов и положительно заряженного ядра, называемого ядром. Электроны в атоме находятся в связанном состоянии, поэтому их энергетические уровни квантуются . Также возможно наличие квантованных вращательных и колебательных уровней энергии молекул. Отличие их заключается в различии энергии, характеризующей переход из одного состояния в другое.

Возможные способы поглощения фотона атомом или молекулой

Если уровень энергии налетающего фотона таков, что электроны могут иметь переход из состояния в некоторое более высокое допустимое состояние , то уровень энергии фотона будет находиться в видимом или ультрафиолетовом диапазоне, и мы используем этот принцип в электронной спектроскопии.

Предположим, что конкретный электрон находится в энергетическом состоянии с собственным значением энергии$E_i$. Существует более высокий энергетический уровень$E_f$. Если энергетические уровни связанных состояний электрона таковы, что они точно совпадают с энергией фотона:$h\nu=E_f-E_i$, то электрон перейдет в энергетическое состояние$E_f$.

Теперь, если энергия падающего фотона соответствует разнице уровней колебательной энергии любой пары состояний молекулы , то это может вызвать переход из этого колебательного энергетического состояния в более высокое энергетическое состояние. Эта энергия обычно лежит в инфракрасной области, и этот метод используется в инфракрасной спектроскопии.

Например, в случае двухатомных молекул колебательные энергетические уровни квантуются и в хорошем смысле могут быть аппроксимированы гармоническим осциллятором:$E_n=\left(n+\frac{1}{2}\right)\bar{h}\omega$. Итак, если энергия фотона такова, что$h\nu=E_f-E_i$, электрон переходит из состояния$E_i$к$E_f$, куда$E_i$и$E_f$задаются приведенным выше уравнением гармонического осциллятора, а состояния определяются квантовым числом$n=i$и$n=f$.

Теперь, если поглощение фотона может повлиять только на вращательные энергетические уровни молекулы , то поглощенный фотон будет находиться в микроволновом диапазоне. Спектроскопический метод, использующий этот принцип, называется микроволновой спектроскопией.

Например, уровни вращательной энергии двухатомной молекулы определяются выражением:$\displaystyle{E_j=\frac{j(j+1){\bar{h}}^2}{2I}}$, куда$I$это момент инерции и$j$- квантовое число углового момента. В таком случае мы можем написать:$h\nu=E_f-E_i$а связанное состояние поглотит фотон и перейдет в состояние с энергией$E_f$, с$E_f$и$E_i$определяется квантовым числом$j=f$и$j=i$.

Теперь энергия может быть поглощена и ядрами . Это может быть упругое рассеяние ядер (аналог очень низкоэнергетического комптоновского рассеяния на электроне. В этом процессе фотон взаимодействует с нуклоном таким образом, что фотон переизлучается с той же энергией), неупругое рассеяние ядер ( рассеяние ядро поднимается до возбужденного уровня за счет поглощения фотона.Возбужденное ядро ​​впоследствии снимает возбуждение, испуская фотон с такой же или меньшей энергией) и рассеяние Дельбрюка(явление рассеяния фотонов кулоновским полем ядра, также называемое ядерным потенциальным рассеянием, которое можно рассматривать как рождение виртуальных пар в поле ядра, т. е. рождение пар с последующей аннигиляцией образовавшейся пары). Однако в фотонных взаимодействиях этими процессами можно пренебречь.

Заключение:

Поглощение фотона произойдет только тогда, когда квантовая энергия фотона точно соответствует энергетической щели между начальным и конечным состояниями системы. (атом или молекула в целом) , т. е. путем поглощения фотона система могла бы получить доступ к некоторому более высокому допустимому квантово-механическому энергетическому состоянию. Если нет такой пары энергетических состояний, что энергия фотона может поднять систему из нижнего энергетического состояния в верхнее, то вещество будет прозрачно для этого излучения.

Итак, если произойдет какой-либо из вышеперечисленных типов энергетического перехода, это повлияет на квантовое состояние системы в целом (переведет систему из одного состояния в другое). Таким образом, можно сказать, как указал @annav, что именно атом (или молекула) поглощает излучение и изменяет энергетические уровни составляющих его частиц в зависимости от поглощенной энергии. В любом случае изменение энергетического уровня электрона, вращательного или колебательного энергетического уровня молекул можно рассматривать как изменение квантового состояния молекулы. Итак, лучше придерживаться концепции молекулы в целом, поглощающей энергию и меняющей свое состояние на более высокое энергетическое состояние путем изменения квантового состояния составляющих ее частиц.

Я оставлю других комментировать подробные задействованные механизмы — все они являются просто математическими моделями, которые мы используем для понимания процесса и к которым можно получить доступ на различных уровнях сложности.

Что, безусловно, верно, так это то, что изолированный электрон не может полностью поглотить фотон (возможно частичное поглощение, известное как комптоновское рассеяние). В таком процессе просто невозможно сохранить и энергию, и импульс. Поэтому поглощение фотона происходит в контексте атома как целого, где могут выполняться различные законы сохранения. В простейшем случае атом лучше всего рассматривать как осциллятор с дискретными уровнями энергии, который может возбуждаться или девозбуждаться между этими модами за счет взаимодействия с электромагнитным полем света (или, альтернативно, за счет поглощения или испускания энергии излучения). фотон).

С точки зрения физической частицы электрон (свободный или связанный с атомом) не может и не поглощает фотон. Атом поглощает фотон и забирает его кинетическую энергию. Эта кинетическая энергия вызывает повышенную вибрацию атома, который может излучать другой фотон и/или испускать свободно удерживаемый/связанный электрон, и/или эта вибрация может передаваться соседним атомам.

Электрон поглощает энергию только тогда, когда она точно совпадает с его энергетической щелью, здесь можно применить закон сохранения импульса. Длина волны фотона почти совпадает с длиной волны электрона, поэтому можно сказать, что электрон поглощает энергию.