Производит ли падение электрона с 2s2s2s до 1s1s1s один и тот же тип фотонов в разных атомах и молекулах? [закрыто]

Как правило,$1s$и$2s$орбитали будут связаны с разными энергиями в разных атомах, а это означает, что переход, который перемещает электрон из$2s$орбитальный к$1s$орбиталь будет излучать на разных длинах волн для разных атомов. Неясно, что вы имеете в виду под «типом фотона», но наличие другой энергии фотона определенно подходит. (С другой стороны, характеристики углового момента этих фотонов — в частности, их поляризация и пространственный профиль — будут одинаковыми.)

Тем не менее , несколько важных предупреждений:

• The $2s\to 1s$переход запрещен диполем , а это значит, что он не будет присутствовать, если вы не приложите решительных и целенаправленных усилий, чтобы выяснить его.

  (Хотя при этом сказано,$2s\to1s$переход является важным элементом прецизионной спектроскопии атома водорода ( пример ), поскольку его дипольно-запрещенная природа означает, что его естественное время жизни намного больше, чем линии, разрешенные диполем, что, следовательно, означает, что его естественная ширина линии соответственно уже.)

• Говоря "$2s\to 1s$«переход» по своей сути предполагает, что у вас есть атом с одним электроном и что нет других электронов, за которыми нужно следить. Это, очевидно, верно только для водорода и водородных ионов, таких как$\rm He^+$,$\rm Li^{2+}$,$\rm Be^{3+}$, а также ряд все более маловероятных и недоступных видов с высоким зарядом.

  В общем, однако, вы не можете просто сказать, что вам нужно полностью указать начальную и конечную электронные конфигурации: таким образом, вы бы сказали$1s^12s^1\to1s^2$в гелии, например, или$1s^12s^2\to1s^22s^1$в литии, скажем.

• Однако если вы пойдете дальше этого, вы столкнетесь с проблемой, состоящей в том, что вы не можете переместить электрон из$2s$оболочка к$1s$оболочки без перехода между двумя возбужденными состояниями: начиная с бериллия, единственный способ получить такой переход — сделать что-то вроде

  $$1s^1 2s^2 2p^1 \to 1s^22s^1 2p^1, \tag{$*$}$$ и это уже невозможно: второе состояние$1s^22s^1 2p^1$, существует как первое возбужденное состояние бериллия, но дырка в ядре, подразумеваемая$1s^1$в$1s^1 2s^2 2p^1$требует больше энергии для создания, чем требуется, чтобы просто удалить один из$2s^2$электронов, а это означает, что начальное состояние является неустойчивым автоионизационным состоянием с очень коротким временем жизни и не существует в природе. (Вы можете поискать энергетические уровни бериллия в NIST ASD — запросите Be Iв поле поиска — и подтвердите, что там не сообщается о таком состоянии.) Переход в$(*)$может быть доступен как резонанс в экспериментах по аттосекундному переходному поглощению ( здесь / здесь аналогичный пример в гелии), но это все.

Чтобы ответить на другие ваши вопросы:

Кроме того, всегда ли изменение главного квантового числа с более высоким на более низкое приводит к фотону с высокой энергией? Всегда выше падения в подуровнях ($p$к$s$, например)?

Вообще говоря, да: переходы, которые изменяют главное квантовое число валентного электрона, обычно имеют более высокие энергии перехода, чем переходы между подоболочками с другим угловым моментом, которые сохраняют главное квантовое число неизменным. Однако это не универсальный факт — по мере того, как атомы становятся большими, могут возникать всевозможные шаткие явления.

Другими словами, это количество энергии (в электрон-вольтах) между$2s$и$2p$одинаковые или похожие для разных химических соединений?

Это довольно универсальное правило: вы практически никогда не найдете двух переходов в двух разных химических соединениях с одинаковой энергией перехода; именно это позволяет работать спектроскопии, поскольку позволяет линиям излучения и поглощения функционировать как химические отпечатки пальцев.

Для$2p\to 2s$переходы, вероятно, будет лучше, если вы пойдете и поиграете сами, используя NIST ASD, либо по линиям, либо по базам данных уровней для первого периода.$p$-блоковые элементы (бор через фтор; добавить I, чтобы получить нейтральный атом).

Если электрон меняет направление вращения (четвертое квантовое число), получается ли при этом слабый фотон?

Переходы, которые изменяют направление спина, запрещены электрическим диполем, и они могут происходить только от магнитного диполя и далее , что означает, что они подавлены (вероятно, а не по энергии) по сравнению с переходами, которые не переворачивают спины. Если единственное , что вы делаете, это переворачиваете вращение, то есть две возможности:

• Вы переключаете спин электрона изолированно, например, у вас есть ион гелия.$\rm He^+$в$1s$состоянии, и вы меняете направление вращения одинокого электрона. В такой ситуации атомный гамильтониан изотропен, поэтому ему не важно направление спина, и если ваш атом невозмущен, то энергия перехода будет точно равна нулю. Однако, когда мы это делаем, мы обычно применяем внешнее магнитное поле, которое будет взаимодействовать со спином электрона через эффект Зеемана , что вызовет небольшую разницу в энергии между двумя уровнями, обычно в радиочастотном режиме.

• Также возможно, что вы переворачиваете спин электрона по отношению к какой-то другой системе: либо к ядру (как, скажем, в атомарном водороде), либо к другим электронам. Они представляют собой переходы внутри многообразий сверхтонкой и тонкой структуры каждого уровня, которые, как правило, являются низкоэнергетическими переходами, начиная от радиорежима и заканчивая высокими микроволновыми диапазонами, в зависимости от того, с чем именно вы имеете дело.

Как правило, выражение «слабый фотон» является неясным языком, и его следует избегать. В обоих вышеприведенных случаях фотоны будут иметь низкую энергию фотонов, а также они будут дипольно-запрещенными, а это значит, что они будут относительно маловероятными. (Однако в этом классе есть множество важных примеров, начиная с линии водорода длиной 21 см .)

Если, с другой стороны, вы выполняете переворот в дополнение к какому-то другому изменению (скажем,$1s2p\to 1s^2$переход в гелии, где вы также переворачиваете один из спинов, т.е. переходите от триплета спинов$^3P$состояния вплоть до спин-синглетного основного состояния), то эффектом будет незначительное изменение энергии фотона (в этом случае порядка 1% относительного сдвига) и сильное подавление (здесь, в множитель$10^7$) вероятности перехода.

Производит ли падение электрона с 2 с до 1 с фотон одного и того же типа в разных атомах и молекулах?

Электрон характеризуется своей энергией и поляризацией. Вот и все. Итак, все фотоны одинаковы, другими словами, мы не смогли бы отличить два фотона, оба из которых имеют одинаковые значения энергии и поляризации.

Кроме того, всегда ли изменение главного квантового числа с более высоким на более низкое приводит к фотону с высокой энергией?

Подумайте об энергии, необходимой для того, чтобы перевести электрон на заданную орбиту, это то, что в среднем вы получите обратно в виде фотона с заданной энергией, когда электрон перейдет на более низкую орбиту. Но переход электрона между двумя орбиталями не является прямолинейным процессом, т. е. электрон может занять много промежуточных положений, прежде чем «успокоится».

Другими словами, является ли количество энергии (в электрон-вольтах) между 2s и 2p одинаковым или одинаковым для разных химических соединений?

Каждый элемент создает особый спектр (поэтому мы знаем, какой именно), поэтому количество энергии у каждого элемента разное. Это связано с тем, что положительный заряд ядра различен для каждого элемента, а также потому, что окружающие оболочки электронов различаются по своей общей силе отталкивания / экранирования для конкретного электрона.

Если электрон меняет направление вращения (четвертое квантовое число), это производит слабый фотон.

Под слабым фотоном вы можете понимать только фотон с низкой энергией. В связи с этим этот ответ может вас заинтересовать. Электрон и спин . Чтобы изменить направление вращения электрона, не требуется много энергии, поэтому, если он перевернется, он произведет фотон с низкой энергией.