Почему электроны падают с высокого возбуждения на более низкое?

Ответ заключается в термодинамике и предположении, что вы работаете в более холодной среде, чем температура, соответствующая планковскому распределению, при котором ваши фотоны будут присутствовать «в среднем». Другими словами, внутри звезды, где она более горячая, атомы большую часть времени НЕ находятся в своем основном состоянии — фактически, если она достаточно горячая, они находятся в своем «высшем состоянии», которое является ионизированным состоянием: вы есть плазма. Просто потому, что большая часть атомной материи имеет энергетические уровни с разницей, намного превышающей средние энергии фотонов при «комнатной температуре» (около 26 миллиэВ), мы склонны говорить, что атомы и молекулы находятся в своих основных состояниях. Это связано с тем, что при таких низких температурах

Кстати, вы можете видеть это с вращательными состояниями молекул: при комнатной температуре они обычно НЕ находятся в своем основном состоянии, а возбужденные вращательные состояния не «распадаются до основного состояния» . Это потому, что их энергетические уровни ниже 26 мэВ.

Поэтому, когда вы «проливаете свет на атом» в холодной среде, вы выводите его из термодинамического равновесия, и он будет стремиться вернуться к равновесию, которое является его основным состоянием. Когда вы «проливаете свет на атом» в горячей среде, он не вернется в свое основное состояние, потому что это не его равновесное состояние.

Атом в холодной среде распадется до основного состояния за счет спонтанного излучения, которое имеет экспоненциальное время затухания, зависящее от конкретного состояния, и его довольно сложно рассчитать.

Хочу добавить о самопроизвольном излучении. Возбужденные состояния атомов не являются стационарными состояниями, поскольку атомы не являются изолированными системами КМ. Всегда есть взаимодействие с электромагнитным полем. Уравнение Шредингера для атомов в простейшем виде учитывает только кулоновское взаимодействие между электронами и ядром. В этом упрощенном подходе возбужденные состояния являются стационарными, и спонтанное излучение не имеет места.

• продолжают ли электрон(ы) подниматься выше, чем больше света вы излучаете (...)?

Нет, потому что уровни энергии квантуются. Это означает, что независимо от того, сколько фотонов вы излучаете в электрон (т. е. интенсивность источника света), он не перейдет на более высокий энергетический уровень, если только частота ($\nu$) фотонов верно, т.е. если

куда$\Delta E$разница энергий между энергетическими уровнями и$h$есть постоянная Планка.

• Во-вторых, если вы перестанете излучать свет, почему электроны вернутся на более низкий уровень? Будут ли они вообще? И почему? кажется произвольным, что они будут, если на них не воздействует что-то другое.

Да, они отступают, и причин тому две:

1. Атом никогда не бывает по-настоящему изолирован, и он будет взаимодействовать с внешним электромагнитным полем.
2. Даже если предположить, что атом находится в свободном пространстве, вдали от любого источника ЭМ поля, он все равно будет подвержен вакуумным флуктуациям ЭМ поля и, таким образом, в конечном итоге распадется на более низкий энергетический уровень. Этот процесс, называемый спонтанным излучением , не может быть объяснен, если рассматривать ЭМ поле как классический объект, и для его описания требуется формализм квантовой теории поля. Более подробное обсуждение см., например, на странице Википедии :

Спонтанные переходы не поддавались объяснению в рамках уравнения Шредингера, в котором квантовались электронные энергетические уровни, а не электромагнитное поле. Учитывая, что собственные состояния атома правильно диагонализированы, перекрытие волновых функций между возбужденным состоянием и основным состоянием атома равно нулю. Таким образом, в отсутствие квантованного электромагнитного поля атом из возбужденного состояния не может перейти в основное состояние . Чтобы объяснить спонтанные переходы, квантовая механика должна быть расширена до квантовой теории поля, в которой электромагнитное поле квантуется в каждой точке пространства. Квантовая теория поля электронов и электромагнитных полей известна как квантовая электродинамика.

В квантовой электродинамике (или КЭД) электромагнитное поле имеет основное состояние, вакуум КЭД, который может смешиваться с возбужденными стационарными состояниями атома. В результате этого взаимодействия «стационарное состояние» атома больше не является истинным собственным состоянием комбинированной системы атом плюс электромагнитное поле. В частности, переход электрона из возбужденного состояния в основное электронное состояние смешивается с переходом электромагнитного поля из основного состояния в возбужденное состояние, состояние поля с одним фотоном в нем. Спонтанное излучение в свободном пространстве зависит от флуктуаций вакуума .

• Если они отступят, сколько времени потребуется, чтобы они это сделали?

Вероятность того, что переход не произошел во время$t$является$1-p$, куда$p$есть вероятность того, что это произошло . Для расчета вероятности перехода в единицу времени можно использовать коэффициенты Эйнштейна .

Классическая электромагнитная теория не могла объяснить спектральные линии, видимые в световых спектрах. Он предсказал, что электрон, пойманный вокруг протона, будет непрерывно излучать (из-за радиального ускорения) и падать на протон, испуская непрерывный спектр света. Не было бы стабильных атомов водорода.

Вот атом водорода:

Фиксированные орбиты объясняли наблюдаемые спектры, ряды Бальмера и Лаймана, и это было одним из основных столпов изобретения квантовой механики.

скопировано

Обратите внимание, что линии имеют ширину

Если, например, вы направляете фотон на атом, и это возбуждает электрон на более высокий энергетический уровень,

Возьмем в качестве примера атом водорода.

Да, атом будет возбужден , если фотон будет иметь частоту/энергию разности энергетических уровней

продолжают ли электрон(ы) подниматься выше, чем больше света вы излучаете, и существует ли предел энергии, если да, то почему?

Дело не в количестве, а в соответствующей разнице энергий.

Посмотрите на уровни энергии. Чтобы фотон попал в электрон и ионизировал атом, он должен иметь частоту h*nu=13,6 эВ. Для перехода на промежуточный уровень фотон должен иметь разность энергий, иначе он просто рассеется из поля атома и оставит его нетронутым.

Если вы дадите фотону правильные шаги в энергии, то электрон может шагнуть вверх до ионизации. Опять же, это энергия или фотон, который должен соответствовать разнице энергетических уровней.

Если у вас есть газообразный водород и источник с соответствующими уровнями энергии для возбуждения атома, то чем больше фотонов, тем больше возбужденных состояний. Общие частоты только случайно будут соответствовать правильной разнице.

Во-вторых, если вы перестанете излучать свет, почему электроны вернутся на более низкий уровень?

Существует исчисляемая квантово-механическая вероятность того, что электроны упадут на пустой нижний уровень, потому что это закон природы, квантово-механический и классический, что все движется к самому низкому допустимому уровню энергии, где существует стабильность.

Будут ли они вообще? И почему? кажется произвольным, что они будут, если на них не воздействует что-то другое.

Электрон может либо скатиться вниз по уровням, высвобождая фотоны с соответствующей частотой/энергией, либо перейти за один шаг на самый низкий энергетический уровень. Все это вычисляемые вероятности в рамках квантовой механики. Ваше «воздействие чего-то другого» означает, что решений Шредингера недостаточно, чтобы придать ширину предсказанным линиям, и это правда, нужна квантовая электродинамика.

Отдельный атом в космосе, если он находится в возбужденном состоянии, имеет расчетную вероятность перейти в основное состояние, которое моделируется с помощью взаимодействия с КЭД-вакуумом.

Если они отступят, сколько времени потребуется, чтобы они это сделали?

При дальнейшем изучении вы увидите, что это связано с шириной линии, которая не является строго энергетической линией, но имеет Δ(E), опять же поддающуюся вычислению. Эти расчеты нуждаются в квантовой теории поля, а не в простой модели Шредингера, как цитирует valerio92 в своем ответе. Затем принцип неопределенности Гейзенберга связывает время затухания с этой шириной энергии.

В этой статье вы можете найти причину самопроизвольного выброса.

Возбуждение электрона, конечно же, зависит от частоты фотонов, которые вы направляете на атом. На практике эти фотоны представляют собой волновые пакеты.. Если предположить, что внешний электрон возбужден, то фотоны должны иметь энергии, равные разности (которых много) энергетических уровней электрона. Если мы возьмем одну частоту (или, лучше сказать, волновой пакет вокруг среднего значения частоты), связанную с разницей энергий между первым энергетическим уровнем электрона и вторым (ниже этой энергии фотон не может возбудить электрон ), чем больше фотонов вы облучаете атомом, тем выше энергетическое состояние электрона (конечно, вы должны облучать их с большей скоростью, чем скорость, с которой они возвращаются на более низкие энергетические уровни). Таким образом, излучая множество фотонов с достаточным количеством энергии, электрон в конечном итоге будет выбит из атома (разброс энергий становится тем меньше, чем выше энергетические состояния).