Поглощение и испускание фотонов

Рассмотрим следующий случай: атом водорода находится в основном состоянии в вакууме. Одиночный фотон света, энергия которого равна энергии перехода из основного состояния (n=1) на следующий энергетический уровень (n=2), бомбардируется атомом. Теперь, поскольку энергия фотона такая же, как энергия энергии перехода, электрон в основном состоянии переместится на следующий более высокий энергетический уровень. Это известно как абсорбция. Но поскольку полная энергия атома выше, он хотел бы перейти на более низкий энергетический уровень. Это известно как спонтанное излучение. Но фотон, высвобождаемый при спонтанном излучении, отличается от первоначально бомбардированного фотона (поляризация, фаза и т. д.), но будет иметь ту же частоту.

Итак, вот мой вопрос:

  1. Почему испускаемый фотон отличается от входящего фотона?
  2. В лазере возбужденный электрон при бомбардировке фотоном испускает 2 фотона, обладающих теми же свойствами, что и входящий фотон. Почему свойства входящего фотона и исходящего фотона одинаковы?

Ответы (3)

Почему испускаемый фотон отличается от входящего фотона?

Во-первых, испущенный фотон будет задержан на некоторое время с момента поглощения первого фотона.

Во-вторых, испускаемый фотон будет испускаться в случайном направлении и поляризации. Кроме того, фаза соответствующей электромагнитной волны будет случайной, а не согласованной с поглощенным фотоном.

В лазере возбужденный электрон при бомбардировке фотоном испускает 2 фотона, обладающих теми же свойствами, что и входящий фотон.

Это не обычный взгляд на это. Обычно мы просто говорим, что здесь нет процесса поглощения --- входящий фотон продолжается без изменений, и испускается один дополнительный фотон.

Почему свойства входящего фотона и исходящего фотона одинаковы?

Потому что этот процесс является вынужденным излучением, а не спонтанным излучением. Стимулированное излучение производит излучение, когерентное с стимулирующим излучением.

Ваш ответ частично отвечает на мой вопрос. Мой главный вопрос: почему поляризация/фаза излучаемого фотона случайна, а не похожа на поглощенный фотон?
@ Physics2000, при спонтанном излучении первый фотон поглощается и больше не существует. Затем некоторое время спустя (наносекунды, микросекунды или мегасекунды) испускается новый фотон. Но поскольку старого фотона больше не существует, новый фотон не может иметь с ним никакой связи.
теперь это имеет смысл. Но почему при вынужденном излучении происходит обратное? Спасибо за ответ.
@ Physics2000, вынужденное излучение можно рассматривать как резонансное явление. Входящий фотон стимулирует резонанс в атомной системе. Как и в любой управляемой резонансной системе, управляемая характеристика имеет (управляемое) фазовое соотношение с движущей силой.
Как рассчитать время жизни возбужденного состояния в случае спонтанного излучения?

В лазере излучение фотонов происходит за счет вынужденного излучения. Стимулированное излучение возникает, когда электрон уже находится в возбужденном состоянии, а падающий фотон вызывает испускание идентичного фотона с той же частотой, фазой и поляризацией, что и падающий фотон. При спонтанном излучении между первым фотоном, который возбудил электрон на более высокий энергетический уровень, и испущенным фотоном не существует фазового соотношения. Спонтанное излучение фотонов может быть описано только в рамках квантовой электродинамики, где описывается взаимодействие электрона с квантованным электромагнитным полем.

Пост должен содержать только один вопрос, поэтому второй я игнорирую. Испущенный фотон обычно имеет свойства, отличные от поглощенных, если атом во время испускания не (полностью) когерентен сам с собой во время поглощения. Пока сохраняются энергия-импульс и угловой момент, может получиться что угодно.

Поглощение и испускание фотонов
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v