Поляризация света и атомное возбуждение

На самом деле нельзя говорить о взаимосвязи между возбужденными состояниями атомов и поляризацией падающего света: состояния атомов такие, какие они есть, независимо от падающего света. Однако различные переходы между атомными состояниями могут иметь амплитуды вероятности, которые зависят от поляризации падающего света: легко увидеть, что электроны в молекулярной связи будут сильнее взаимодействовать с электрическим полем, ориентированным на связь.

Если вы говорите о падающем свете, провоцирующем испускание фотонов, то это вынужденное излучение, а базовые соображения симметрии показывают, что поляризация испускаемого света должна совпадать с поляризацией входящего света. См. страницу Википедии о вынужденном излучении, а также страницы гиперфизики по тем же темам, а также о коэффициентах Эйнштейна A и B.

Чтобы подумать о том, что происходит, когда свет переводит атомы/молекулы в возбужденное состояние, а затем через некоторое время атомы/молекулы спонтанно излучают свет, можно применить принципы сохранения энергии, импульса и углового момента к системе свет/атом/окружающая среда как к целый . Поляризационные отношения связаны с сохранением углового момента . Чтобы понять это последнее утверждение, см., например, главу «Угловой момент» в третьем томе «Фейнмановских лекций по физике». Что это означает практически? Мы думаем о трех разных случаях:

1. В оптически прозрачной среде фотоны поглощаются электронами, и последние испускают на их место новые фотоны практически мгновенно (в течение фемтосекунд и менее). Электроны практически не успевают взаимодействовать с атомами и молекулами вокруг них между испусканием и поглощением. Следовательно, испускаемые фотоны должны иметь точно такую ​​же длину волны (соответствующую закону сохранения энергии), направление (соответствующую закону сохранения импульса) и поляризацию (соответствующую закону сохранения углового момента), что и входящие фотоны, а влияние среды на свет просто одно из задержка, поэтому среда моделируется показателем преломления, т.е. коэффициентом масштабирования скорости света.

2. Есть небольшое исключение из процесса (1) в двулучепреломляющих средах. Процесс почти такой же, но есть некоторая передача углового момента поглощающими электронами окружающему атому/молекулам/окружающей среде. Состояние поляризации света меняется, и, в свою очередь, свет и среда воздействуют друг на друга мельчайшим крутящим моментом — угловым импульсом.

3. Наконец, у нас есть флуоресценция. Поглощающий, возбужденный атом/молекула долгое время «ждет» перед самопроизвольным излучением: обычно наносекунды, могут достигать миллисекунд. За это время он может взаимодействовать со средой, в которой он погружен, – со своим окружением. Таким образом, отношения энергии, импульса, углового момента сложны:

   • Энергия : при флуоресценции почти всегда происходит стоксов сдвиг: состояние, из которого флуоресцирует атом/молекула, может быть ниже, чем состояние, в которое атом/модуль был впервые поднят падающим светом. Более того, атом/молекула могут не полностью флуоресцировать до основного состояния. (См. мой рисунок ниже, который символизирует флуоресцеин, т.е. «зеленые флуоресцентные чернила для ручки»). Потери энергии означают, что процесс поглощения/флуоресценции передает колебательную энергию и тепло системе атом/окружающая среда.

   • Линейный импульс : во время жизни флуоресценции атом/молекула может упираться в окружающую среду и наоборот, поэтому импульс передается в окружающую среду. Поэтому почти всегда существует небольшая связь между направлением падающего света и направлением флуоресценции;

   • Угловой момент : взаимодействия между атомами, молекулами и окружающей их средой, как правило, связаны не с крутящим моментом, а с передачей импульса. Это интуитивно понятно: силы имеют тенденцию быть направленными вдоль линии между центрами масс. Однако существует некоторый крутящий момент и угловой импульс, особенно для флуорофоров с длительным сроком службы. Поэтому поляризация флуоресценции, как правило, довольно сильно коррелирует с поляризацией падающего света, но также имеет место определенная деполяризация. Еще один фактор, который имеет тенденцию поддерживать достаточно хорошую корреляцию флуоресценции и поляризации падающего света, заключается в том, что угловой момент квантуется, а линейный импульс - нет. Простодушно вы можете думать, что угловые импульсы должны достигать определенного$\pm\hbar$порог, прежде чем они станут реальными переводами.

Электронный переход характеризуется своим переходным дипольным моментом . Проще говоря, это вектор, показывающий направление и величину смещения электронного облака. Вероятность взаимодействия с фотоном пропорциональна скалярному произведению дипольного момента перехода на поляризацию фотона. Таким образом, электронные переходы с нулевым дипольным моментом называются запрещенными .

Так как атом сферически симметричен , нет заданного направления и дипольный момент перехода указывает всюду. Следовательно, не будет предпочтения поляризации света. Однако можно задать направление, например, приложив электрическое поле. Тогда дипольный момент перехода будет ориентирован и взаимодействие со светом будет зависеть от его поляризации.