Materie & Energie

Licht - Emissions- und Absorptionsprozesse

Emission undAbsorptionsverfahren

Bohr-Modell

Dass Materialien, wenn sie in Flammen erhitzt oder elektrisch entladen werden, Licht mit genau definierten und charakteristischen Frequenzen emittieren, war Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt. Die Untersuchung der Emissions- und Absorptionsspektren von Atomen war entscheidend für die Entwicklung einer erfolgreichen Theorie der Atomstruktur. Versuche , den Ursprung der Emissions- und Absorptionslinien (dh die Frequenzen der Emission und Absorption) selbst der einfachsten zu beschreiben Atom , Wasserstoff , im Rahmen der klassischen Mechanik und Elektromagnetismus scheiterte. 1913 schlug der dänische Physiker Niels Bohr ein Modell für das Wasserstoffatom vor, mit dem die Regelmäßigkeiten seines Spektrums erklärt werden konnten . In dem, was als bekannt istBohr-Atommodell , die umlaufenden Elektronen in einem Atom befinden sich nur in bestimmten erlaubten „stationären Zuständen“ mit genau definierten Energien. Ein Atom kann ein Photon absorbieren oder emittieren, wenn ein Elektron von einem stationären Zustand oder Energieniveau zu einem anderen übergeht. Die Energieerhaltung bestimmt die Energie des Photons und damit die Frequenz des emittierten oder absorbierten Lichts. Obwohl Bohrs Modell von der Quantenmechanik abgelöst wurde , bietet es dennoch ein nützliches, wenn auch vereinfachtes Bild von atomaren Übergängen.

Spontane Emission

Wenn ein isoliertes Atom in einen Zustand hoher Energie angeregt wird, bleibt es im Allgemeinen für kurze Zeit im angeregten Zustand, bevor es ein Photon emittiert und in einen Zustand niedrigerer Energie übergeht. Dieser grundlegende Prozess wird als spontane Emission bezeichnet. Die Emission eines Photons ist ein probabilistisches Ereignis; Das heißt, die Wahrscheinlichkeit seines Auftretens wird durch eine Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit beschrieben. Für viele angeregte Zustände von Atomen liegt die durchschnittliche Zeit vor der spontanen Emission eines Photons in der Größenordnung von 10 –9 bis 10 –8 Sekunden.

Stimulierte Emission

Die Absorption eines Photons durch ein Atom ist ebenfalls ein probabilistisches Ereignis, wobei die Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit proportional zur Intensität des auf das Atom fallenden Lichts ist. Im Jahr 1917Obwohl Einstein die genauen Mechanismen für die Emission und Absorption von Photonen nicht kannte, zeigte er durch thermodynamische Argumente, dass es in einem Atom eine dritte Art von Strahlungsübergang geben muss - die stimulierte Emission. Bei der stimulierten Emission löst das Vorhandensein von Photonen mit einer geeigneten Energie ein Atom in einem angeregten Zustand aus, um ein Photon mit identischer Energie zu emittieren und in einen niedrigeren Zustand überzugehen. Wie bei der Absorption ist die Wahrscheinlichkeit einer stimulierten Emission proportional zur Intensität des Lichts, das das Atom badet. Einstein drückte die statistische Natur der drei möglichen Strahlungsübergangswege (spontane Emission, stimulierte Emission und Absorption) mit den sogenannten Einstein-Koeffizienten mathematisch aus und quantifizierte die Beziehungen zwischen den drei Prozessen. Einer der ersten Erfolge vonDie Quantenmechanik war die korrekte Vorhersage der numerischen Werte der Einstein-Koeffizienten für das Wasserstoffatom.

Einsteins Beschreibung des stimulierten Emissionsprozesses zeigte, dass das emittierte Photon in jeder Hinsicht mit den stimulierenden Photonen identisch ist, dieselbe Energie und Polarisation aufweist , sich in dieselbe Richtung bewegt und mit diesen Photonen in Phase ist . Etwa 40 Jahre nach Einsteins Arbeit wurde dieEs wurde ein Laser erfunden, ein Gerät, das direkt auf dem stimulierten Emissionsprozess basiert. (Das Akronym Laser steht für „Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission“.) Laserlicht ist aufgrund der zugrunde liegenden Eigenschaften der stimulierten Emission stark monochromatisch, gerichtet und kohärent . Viele moderne spektroskopische Techniken zur Untersuchung der atomaren und molekularen Struktur und Dynamik sowie unzählige technologische Anwendungen nutzen diese Eigenschaften des Laserlichts.

Quantenelektrodynamik

Die Grundlagen einer quantenmechanischen Lichttheorie und ihrer Wechselwirkungen mit Materie wurden Ende der 1920er und 1930er Jahre von Paul Dirac , Werner Heisenberg , Pascual Jordan , Wolfgang Pauli und anderen entwickelt. Die vollständig entwickelte Theorie, die als Quantenelektrodynamik (QED) bezeichnet wird, wird der unabhängigen Arbeit von Richard Feynman , Julian S. Schwinger und Tomonaga Shin'ichirō zugeschrieben . QED beschreibt die Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung mit geladenen Teilchen und die Wechselwirkungen geladener Teilchen miteinander. Die in den Maxwellschen Gleichungen beschriebenen elektrischen und magnetischen Felderwerden quantisiert und Photonen erscheinen als Anregungen dieser quantisierten Felder. In der QED dienen Photonen als Träger elektrischer und magnetischer Kräfte. Beispielsweise stoßen sich zwei identische geladene Teilchen elektrisch ab, weil sie sogenannte virtuelle Photonen austauschen. (Virtuelle Photonen können nicht direkt detektiert werden; ihre Existenz verstößt gegen die Erhaltungssätze von Energie und Impuls.) Photonen können auch von geladenen Teilchen frei emittiert werden. In diesem Fall sind sie als Licht detektierbar. Obwohl die mathematischen Komplexitäten von QED gewaltig sind , ist es eine äußerst erfolgreiche Theorie, die jahrzehntelangen präzisen experimentellen Tests standgehalten hat. Es gilt als PrototypFeldtheorie in der Physik; Es wurden große Anstrengungen unternommen, um seine Kernkonzepte und Berechnungsansätze an die Beschreibung anderer fundamentaler Kräfte in der Natur anzupassen ( siehe einheitliche Feldtheorie ).

QED bietet einen theoretischen Rahmen für Prozesse, bei denen Materie in Photonen und Photonen in Materie umgewandelt werden. Bei der Paarbildung verschwindet ein Photon, das mit einem Atomkern interagiert (um den Impuls zu erhalten), und seine Energie wird in ein Elektron und ein Positron (ein Teilchen-Antiteilchen-Paar) umgewandelt. Bei der Paarvernichtung verschwindet ein Elektron-Positron-Paar und es entstehen zwei hochenergetische Photonen. Diese Prozesse sind in der Kosmologie von zentraler Bedeutung und zeigen einmal mehr, dass Licht ein Hauptbestandteil des physischen Universums ist .