Почему электроны не могут поглощать какую-либо энергию (т.е. поглощать часть необходимой энергии фотонов и излучать остаточную)?

Итак, чтобы внести ясность, я собираюсь рассмотреть процессы, в которых участвуют фотон и атом на некотором энергетическом уровне, и фотон и атом обмениваются энергией (и импульсом) таким образом, что фотон со сдвинутым (либо выше, либо ниже) ) выходит энергия, в то время как атом оказывается в другом внутреннем электронном состоянии, чем в начале. Общая схема выглядит так:

где входит нерезонансный свет, вызывающий переход между состояниями 1 и 2 с соответствующим сдвигом энергии уходящего фотона. Я не показал изменения импульса, но оно будет определяться энергиями и геометрией ситуации. Я нарисовал это где$E_2>E_1$, но возможен и обратный процесс, при котором фотон приобретает энергию.

Прежде всего, вы, безусловно, правы, задаваясь вопросом, почему этот процесс не должен быть разрешен. Как я упоминал в другом контексте , полезный способ думать о многих физических процессах, приписываемых Гелл-Манну, состоит в том, что «все, что не запрещено, является обязательным». Итак, когда внутренний атомный переход + фотонный сдвиг может быть осуществлен таким образом, чтобы сохранить энергию, угловой и линейный импульс (а также подчиняться некоторым другим правилам отбора, таким как правила четности), мы должны ожидать, что это возможно. И это!

Как уже упоминалось, эти процессы обычно называют «рамановским рассеянием» и являются важным инструментом в материаловедении для изучения колебательных уровней материалов. Однако, чтобы непосредственно ответить на вопрос о Шарле Бояне, идея рамановского перехода носит более общий характер. Например, в атомной физике рамановские переходы (в несколько иной форме, известной как стимулированный рамановский переход) часто используются для перехода между двумя спиновыми состояниями атома. При этом поляризация фотона должна меняться вместе с его энергией, чтобы выполнялись все законы сохранения.

Итак, если это может случиться, почему вы узнали, что атомы могут поглощать свет только на определенных частотах, которые соответствуют атомным переходам? Вероятно, за этим упрощением стояли два мотива:

1. Хотя рамановские процессы разрешены, они обычно происходят с очень малой вероятностью по сравнению с поглощением вблизи резонанса, а также по сравнению с рассеянием фотонов без изменения энергии фотона. Так что во многих случаях они оказывают очень небольшое влияние на общее взаимодействие атома и света.

2. Поскольку фотон никогда полностью не исчезает, комбинационное рассеяние (как следует из названия) обычно рассматривается как процесс неупругого рассеяния, а не как «частичное поглощение».

Этот способ различения поглощения и неупругого рассеяния особенно полезен при сравнении рамановских процессов с процессами, в которых свет находится в резонансе с атомным переходом. Это может иметь место, например, в том случае, когда свет резонирует с переходом 1->Е, и атомы могут затем распадаться как в состояния 1, так и в состояния 2. Результат аналогичен рамановскому процессу в том смысле, что приходят фотоны одной энергии и выходят фотоны со сдвинутой энергией, соответствующей разнице между атомными уровнями. Однако, поскольку поглощение является резонансным процессом, сила перехода, зависимость от длины волны и фактическое состояние атома во время процесса в этих двух случаях различны.

Этот ответ не является строгим, просто запоздалая мысль: помните, что фотон должен сначала полностью поглотиться, он не будет поглощать и излучать одновременно. Это оставило бы нас с электроном, который на мгновение находится в запрещенном энергетическом состоянии. Из этого состояния он может испустить фотон, чтобы перейти на правильный (т. е. разрешенный) энергетический уровень. Неопределенность позволит кое-чему из этого произойти и создаст естественную ширину линий, но она ограничена небольшими отклонениями энергии для любых практических целей. Что вам нужно, так это механизм, аналогичный туннелированию, в котором частица может провести некоторое время в запрещенной области. Но это также связано с принципом неопределенности.

Мне неизвестен какой-либо туннельный механизм, который позволял бы электрону в изолированном атоме на мгновение оставаться в запрещенной зоне за пределами принципа неопределенности. Если он существует, то он либо слишком мал для измерения, либо запрещен какой-либо более продвинутой теорией, такой как КТП.

Я не проводил расчетов, но подозреваю, что проблема может заключаться в том, что такой распад нарушает закон сохранения импульса. Точно так же, как свободный электрон не может поглотить фотон из-за сохранения импульса (энергия и импульс фотона связаны, и это ограничивает взаимосвязь), я также подозреваю (но могу ошибаться), что сохранение импульса будет работать только на разрешенных уровнях энергии, поэтому ваши механизмы будут нарушать закон сохранения импульса, а потому это невозможно. Тем не менее, я надеюсь, что эксперт может дать лучший ответ.

Нет причин, по которым вам нужно говорить о «запрещенных уровнях энергии», чтобы понять это. Электрон привязан к атому точно так же, как масса к пружине. У него есть определенная частота, с которой он может вибрировать. Когда он приводится в движение колеблющимся электрическим полем именно с этой правильной частотой, он вибрирует. Мы говорим, что он поглощает энергию поля. Если вы управляете им с более высокой частотой, он просто не вибрирует. Вы должны управлять им с правильной частотой. (В данной атомной системе может быть более одной правильной частоты.)

Это так просто.

Я считаю, что если атом получает слишком много энергии, он может ионизироваться. Существуют разрешенные энергетические уровни, но выше этих уровней находится область для свободных электронов. Энергетические уровни там не квантованы и могут принимать любую энергию. Фотоны с более высокой энергией могут поднять общую энергию выше допустимых уровней энергии, тем самым ионизируя атом. Другой способ взглянуть на это, и я могу ошибаться, — это излучение абсолютно черного тела. Атомы могут иметь разрешенные энергетические уровни, но по мере нагревания материала все уровни спектра могут излучать фотоны.