Materie & Energie

Strahlung - Elektromagnetische Wellen und Atomstruktur

Elektromagnetische Wellen und Atomstruktur

Quantum Konzepte

Die Quantenmechanik umfasst Konzepte wie „erlaubte Zustände“, dh stationäre Zustände des Energiegehalts , die genau durch ihre Gesetze festgelegt sind. Die in Abbildung 1 gezeigten Energiezustände sind von dieser Art. EINDer Übergang zwischen solchen Zuständen hängt nicht nur von der Verfügbarkeit (z. B. als Strahlung) der genauen benötigten Energiemenge ab, sondern auch von der quantenmechanischen Wahrscheinlichkeit eines solchen Übergangs. Diese Wahrscheinlichkeit, dieOszillatorstärke, beinhaltet sogenannte Auswahlregeln , die allgemein angeben, inwieweit ein Übergang zwischen zwei Zuständen (die quantenmechanisch beschrieben sind) zulässig ist. Zur Veranschaulichung vonZulässiger Übergang in Abbildung 1 sind nur solche elektronischen Übergänge zulässig, bei denen die Änderung der Schwingungsquantenzahl, die mit einer Änderung der elektronischen Anregung einhergeht, plus oder minus eins oder null ist, mit der Ausnahme, dass eine Änderung von 0 ↔ 0 (von Null zu Null) vorliegt nicht gestattet. Alle elektronischen Zustände umfassen Schwingungs- und Rotationsniveaus, so dass die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten elektronischen Übergangs die Wahrscheinlichkeiten des Übergangs zwischen allen denkbaren Schwingungs- und Rotationszuständen umfasst. Abbildung 1 ist natürlich ein vereinfachtes Bild eines Kompendiums von Energiezuständen, die einem Molekül zur Verfügung stehen(mehratomige Struktur) - und die Auswahlregeln sind in einem solchen Fall dementsprechend stärker involviert. Die Auswahlregeln werden von Wissenschaftlern in einem Entdeckungsprozess ausgearbeitet. Der Versuch besteht darin, sie systematisch anzugeben, damit die anwendbaren Regeln in einem experimentell nicht untersuchten Fall auf der Grundlage eines allgemeinen Prinzips angegeben werden können.

Absorption undEmission

Bei dem Transport durch die Materie, die Intensität des Lichts nimmt exponentiell mit dem Abstand; Tatsächlich ist der Bruchteilverlust für gleiche Penetrationsentfernungen gleich. Der Energieverlust des Lichts erscheint als Energie, die dem Medium hinzugefügt wird, oder als sogenannte Absorption. Ein Medium kann in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums schwach absorbieren und in einem anderen stark absorbieren. Wenn ein Medium schwach absorbiert, ist seine Dispersionund die Absorption kann direkt aus der Intensität des gebrochenen oder durchgelassenen Lichts gemessen werden. Wenn es andererseits stark absorbiert, überlebt das Licht nicht einmal einige Wellenlängen des Eindringens. Das gebrochene oder durchgelassene Licht ist dann so schwach, dass Messungen bestenfalls schwierig sind. Die Absorption und Dispersion in solchen Fällen kann jedoch immer noch nur durch Untersuchung des reflektierten Lichts bestimmt werden. Dieses Verfahren ist möglich, weil die Intensität des reflektierten Lichts einen Brechungsindex aufweist , der sich mathematisch in Beiträge von Dispersion und Absorption trennt. Im fernen Ultraviolett ist es das einzige praktische Mittel zur Untersuchung der Absorption. Diese Studie hat wertvolle Informationen über elektronische Energieniveaus und kollektive Energieverluste geliefert (siehe unten Molekulare Aktivierung ) in kondensiertem Material.

Experimentelle Untersuchungen der chemischen Auswirkungen von Strahlung auf Materie können durch die Verwendung von Strahlen hoher Intensität und sehr kurzer Dauer stark vorangetrieben werden. Solche Studien werden durch den Einsatz derLaser , eine Lichtquelle, die von den amerikanischen Physikern entwickelt wurdeArthur L. Schawlow undCharles H. Townes (1958) aus der Anwendung eines derEinstein- Gleichungen. Einstein schlug vor (auf der Grundlage eines Prinzips der detaillierten Abwägung , odermikroskopische Reversibilität ) , die, ebenso wie die Menge des Lichts durch ein molekulares System in einem Licht absorbiert Feld muss auf der Intensität des Lichts abhängt, wird die Menge des Lichts von angeregten Zuständen des gleichen Systems emittiert muss weisen auch solche Abhängigkeit. In dieser grundlegend wichtigen Idee der mikroskopischen Reversibilität ist eine der dramatischsten Darstellungen der physikalischen Wirkungen von Strahlung zu sehen.

Unter allen Umständen ist die Absorptionswahrscheinlichkeit im Grundzustand gegeben durch die Anzahl der Moleküle (oder Atome) N i in diesem Zustand multipliziert mit der Wahrscheinlichkeit B i j für den Übergang vom Zustand i zum Zustand j und durch die Lichtintensität , I (ν) bei Frequenz durch den griechischen Buchstaben nu symbolisiert, ν; dh N i B i j I (ν). Lichtemission von einemDer angeregte Zustand zum Grundzustand hängt von der Anzahl der Moleküle (oder Atome) im oberen Zustand N j ab , multipliziert mit der Wahrscheinlichkeit vonspontane Emission , A j i , in den Grundzustand plus der zusätzlicheninduzierte Emissionsperiode, N j B j i I (ν), in denen B j i ist ein Begriff, Einstein , daß sie gleich zeigte B i j und dass betrifft die Wahrscheinlichkeit solchen induzierten Emission, so daß im allgemeinen Fall in irgendein stationäre Situation (in der Lichtabsorption und -emission mit gleicher Geschwindigkeit auftreten):

Gleichung.

Zwischen A j i und B i j besteht eine gut entwickelte theoretische Beziehung (hier nicht dargestellt) quantenmechanischer Natur . Normalerweise ist die Lichtintensität I (ν) so gering, dass der zweite Term rechts vernachlässigt werden kann. Bei ausreichend hohen Lichtintensitäten kann dieser Begriff jedoch wichtig werden. Wenn die Lichtintensität wie bei einem Laser hoch ist, kann die Wahrscheinlichkeit einer induzierten Emission die der spontanen Emission leicht überschreiten.

Die spontane Lichtemission ist in Richtung und Phase zufällig . Die induzierte Emission hat die gleiche Polarisations- und Ausbreitungsrichtung wie das einfallende Licht. Wenn auf irgendeine Weise eine größere Population in der oberen Ebene als in der unteren Ebene erzeugt wird, dann nimmt die Lichtintensität unter dem Reiz eines einfallenden Lichts geeigneter Frequenz tatsächlich mit der Weglänge zu, vorausgesetzt, es gibt genügend stimulierte Emission, um dies zu kompensieren Absorption und Streuung . Eine solche stimulierte Emission ist die Basis des Laserlichts. Praktische Laser wie der Rubin- oder der Helium-Neon-Laser arbeiten jedoch nach einem dreistufigen Prinzip.

Teilchenaspekte des Lichts

The energy required to remove an orbital electron from an atom (or molecule) is called its binding energy in a given state. When light of photon energy greater than the minimum binding energy is incident upon an atom or solid, part or all of its energy may be transformed through the photoelectric effect, the Compton effect, or pair production—in increasing order of importance with increase of photon energy. In the Compton effect, the photon is scattered from an electron, resulting in a longer wavelength, thus imparting the residual energy to the electron. In the other two cases the photon is completely absorbed or destroyed. In the Beim Paarproduktionsphänomen entsteht aus dem Photon ein Elektron-Positron-Paar, wenn es sich einem Atomkern nähert. Für diesen Prozess ist eine minimale Energie (1.020.000 Elektronenvolt [eV]) erforderlich, da die Energie des ruhenden Elektron-Positron-Paares - die Gesamtmasse 2 m mal die Lichtgeschwindigkeit im Quadrat (2 m c 2 ) - betragen muss unter der Voraussetzung. Wenn die Photonenenergie ( h ν) größer als die Ruhemasse ist, wird die Differenz ( h ν - 2 m c 2 ), die als Restenergie bezeichnet wird, zwischen den kinetischen Energien des Paares verteilt, wobei nur ein kleiner Teil zum Kern gelangt Rückstoß.