Atom-Photon-Wechselwirkung, AbsorptionStoß?

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,

In der Spektroskopievorlesung wurden wir vor ein Problem gestellt, das ich auch nach langer Internet- und Buchrecherche sowie Diskussionen mit meinen Kommilitonen noch nicht lösen kann. Vielleicht kann mir ja hier jemand helfen:

„Isolierte Atome können nur Photonen ganz bestimmter Frequenzen absorbieren. Warum wird aber ein Photon mit etwas höherer Energie nicht auch absorbiert und der Energieüberschuss vom Atom als kinetische Energie aufgenommen?“

Mein erster Gedanke war, dass im beschriebenen (nicht stattfindenden) Fall die Impulserhaltung an irgendeiner Ecke nicht gegeben ist und das Photon deshalb nicht aufgenommen werden kann.(Konnte ich aber noch nicht rechnerisch nachweisen)
Der zweite Gedanke war, dass das Photon bei der Anregung (Bsp. energetische Anhebung eines Elektrons) für die Energieübertragung erst mit dem Elektron koppeln muss bevor es in zwei Energiebeträge (einen zum Anheben und einen für kinetische Energie) zerfallen könnte. Diese Kopplung findet aber nur statt, wenn das Photon die richtige Energie für einen erlaubten Energiesprung hat. Bei diesen bleibt aber kein Energiebetrag übrig und Photonen mit mehr Energie können nicht koppeln (&zerfallen).

Ich hoffe mein Gedankengang ist nicht zu verwirrend beschrieben und nicht zu doof. ^^ Außerdem hoffe ich, dass die Frage nicht zu trivial ist; Schließlich wird überall immer gesagt dass es nicht geht, aber nie aus welchem Grund. Könnte ein Indiz dafür sein, dass das selbstverständlich ist :wink:

Hoffe auf eine gute Antwort =)
Gruß,
Julian

#2

Hallo

Also ich bin jetz nicht der absolute Fachmann aber ich kann ja mal sagen was ich denke:

Soweit ich weis wird ein Photon höherer Energie sehr wohl absorbier, jedoch der Restbetrag wieder als Photon niedrigerer Energie abgestrahlt. Würden die Elektronen wirklich nur mit Photonen dieser speziellen Energie wechselwirken, dann gäbe es wohl sehr selten wirksame Zusammenstöße.

Warum sich die überschüssige Energie nicht auf die kinetische Energie des gesamten Atoms überträgt kann ich mir damit erklären, dass das Photon ja nur mit einem Elektron des Atoms wechselwirkt und nicht mit jedem Bestandteil. Es kann also seine Energie nur auf jenes Elektron übertragen. Und auch auf dieses kann es den zusätzlichen kinetischen Energiebetrag nicht abgeben, weil dies ja auch mit einem anheben des potentiellen Energiebetrages verbunden wäre, wozu die Energie aber scheinbar nicht mehr ausreicht.

Also bleibt einfach etwas Energie übrig, die wieder abgestrahlt wird und das Atom verlässt.

#3

Hi, Danke für die schnelle Antwort!

Soweit ich weis wird ein Photon höherer Energie sehr wohl
absorbier, jedoch der Restbetrag wieder als Photon niedrigerer
Energie abgestrahlt. Würden die Elektronen wirklich nur mit
Photonen dieser speziellen Energie wechselwirken, dann gäbe es
wohl sehr selten wirksame Zusammenstöße.

also da z.B. Sonnenlicht Photonen (fast) aller Wellenlängen (in nicht unrelevantem) Maße enthält glaube ich, dass die Zusammenstöße (nennen wir sie Interaktionen) auch mit nur „passenden“ Photonen häufig sind. Hab übrigens permanent gelesen, dass sie sich nur von passenden anregen lassen.

Warum sich die überschüssige Energie nicht auf die kinetische
Energie des gesamten Atoms überträgt kann ich mir damit
erklären, dass das Photon ja nur mit einem Elektron des Atoms
wechselwirkt und nicht mit jedem Bestandteil.

Da die Energieniveaus auf die man ein Elektron anhebt nur im Feld eines Atomkerns existieren wechselwirkt das Photon schon mit dem ganzen Atom, auch wenn es „nur“ das Elektron energetisch erhöht.
Das Photon wird vom *Atom* absorbiert, wodurch das *Elektron* energetisch erhöht wird. Zumindest bei mittleren Wellenlängen. Im hochenergetischen Bereich überwiegen andere Effekte (Positron-Elektron-Paar-Erzeugung oder Kernspaltung durch Photonen), aber es ist immer Wechselwirkung mit dem gesamten Atom.

Also bleibt einfach etwas Energie übrig, die wieder
abgestrahlt wird und das Atom verlässt.

Das ist eben der Punkt. Es wird nichts abgestrahlt (außer beim Compton-Effekt, der aber eine andere Interaktion beschreibt oder wenn das elektron wieder energetisch absinkt und ein Photon aussendet). Das Photon wird vollständig absorbiert und zwar nur Photonen, die die passende Frequenz/Wellenlänge/Energie haben. Die Frage ist nur, warum das so ist.

Danke auf jeden Fall für deine Antwort, leider hat sie mir noch nicht wirklich weitergeholfen :wink:

Lieben Gruß,
Julian

#4

Hallo Julian, unterschiedlich bewegte Atome der gleichen Sorte absorbieren und emittieren nicht bei identischen Wellenlängen, siehe temperaturabhängige Bandenbreite. Würde die überschüssige Energie der E_kin zugeschlagen, stimmte die Absorptionsbedingung nicht mehr. (?) Gruß, eck.

#5

Hallo Julian, unterschiedlich bewegte Atome der gleichen Sorte
absorbieren und emittieren nicht bei identischen Wellenlängen,
siehe temperaturabhängige Bandenbreite. Würde die
überschüssige Energie der E_kin zugeschlagen, stimmte die
Absorptionsbedingung nicht mehr. (?) Gruß, eck.

In diesem Fall geht es um isolierte (einzelne) Atome, es gibt also keine „Bandenbreite“, sondern scharfe Energieniveaus.
Insofern fällt auch die Absorptionsbedingung in Bezug auf die Breite der Bandlücke weg. Kannst du das nochmal allgemeiner bzw. mit Formel formulieren? Was genau meinst du mit Absorptionsbedingung?
Ich glaube man kann in diesem Fall auch davon ausgehen, dass das Atom vor der Interaktion still steht (0 K). Wie genau verhält sich deine Aussage unter diesen Bedingungen?
Wäre nett, wenn du das noch mal näher ausführen könntest.

Lieben Gruß,
Julian

#6

Hallo!

Wenn wir die Zeit rückwärts laufen lassen, wird aus der Absorption die Emission. Diesen Vorgang beobachten wir im Schwerpunktsystem, d. h. in dem Bezugssystem, in dem das Atom vor der Emission ruht. Die Energie, die vom Atom abgegeben werden kann, ist dann durch die Energieniveaus gegeben. Die Energieerhaltung verbietet die Emission eines Photons von höherer Energie. Daraus berechnet sich nach E = hf die Frequenz und c = fλ die Wellenlänge. Beide Größen sind eindeutig bestimmt.

Natürlich erfährt das Atom einen Rückstoß, und zwar p = h/λ, aber da das Photon immer die gleiche Energie, Frequenz und Wellenlänge hat, ist auch der Rückstoß immer derselbe.

Wenn wir die Zeit vorwärts laufen lassen, ist die Absorptionsbedingung (Frequenz passt zur Differenz der Energieniveaus) nur dann erfüllt, wenn sich Atom und Photon entsprechend bewegen. Wenn wir nun das Schwerpunktsystem verlassen, handeln wir uns Relativbewegungen des Atoms und den Dopplereffekt beim Photon ein. Das führt zu der Linienverbreiterung, von der mein Vorredner sprach.

Michael

#7

Hallo Julian, das mit der Bandenbreite war nur zur Erinnerung angeführt, daß Atome, vom Bewegungszustand (gegenüber den Photonen) abhängig, Quanten absorbieren.

Etwas Anderes: Die überschüssige Energie wird allgemein krumme, dh nicht gequantelte Beträge haben, könnte also auch beliebig klein sein, oder ein ganzahliges Mehrfaches von „h“+einen beliebig kleinen Betrag. Solche ungequantelten, beliebig kleinen Beträge scheint es nicht zu geben und können darum auch nicht zur E_kin zugeschlagen werden. Entschuldige die breite Ausmalung. Gruß, eck.

#8

Hallo!

Etwas Anderes: Die überschüssige Energie wird allgemein
krumme, dh nicht gequantelte Beträge haben, könnte also auch
beliebig klein sein, oder ein ganzahliges Mehrfaches von
„h“+einen beliebig kleinen Betrag. Solche ungequantelten,
beliebig kleinen Beträge scheint es nicht zu geben und können
darum auch nicht zur E_kin zugeschlagen werden.

Hä? Weißt Du überhaupt, wovon Du schreibst? Ein Photon hat die Energie

E = hf

h ist eine Konstante. f kann jeden beliebigen Wert annehmen. Jeden! Die Energie eines Photons kann also beliebig klein oder groß sein und insbesondere ist das Spektrum der möglichen Photonen vollkommen kontinuierlich. Es gibt keine Energielücken im Spektrum von weißem Licht (im Gegensatz zu den Energieniveaus im Atom). Es ist grundsätzlich falsch, dass die Energie eines Photons irgendetwas mit dem Ganzzahligen Vielfachen von irgendwem zu tun hätte!

Wenn man sagt, dass Strahlung gequantelt sei, dann meint man damit lediglich, dass ein Atom entweder ein ganzes Photon oder keins absorbiert. Nichts anderes.

Michael

#9

Hallo Michael, Du bist aber merklich engagiert. Es ging dem Fragesteller ja nicht um die Energie ganzer Photonen, sondern um den Rest, der nicht ins Atom passt und der könnte beliebig klein sein. Ich bin von der Vermutung ausgegangen, daß es kleinste Energiebeträge gibt, die in der Natur nicht unterschritten werden. Manche Nullpunktenergie wird ja damit begründet. Wenn das falsch ist, habe ich wieder etwas gelernt, das ist der Grund, aus dem ich hier mitmache. Engagierter Gruß,eck.

#10

Hallo!

Sorry, wenn ich etwas zu deutlich geworden sein sollte. Aber mein „Engagement“ - wie Du es nennst - fühlt sich immer dann herausgefordert, wenn ich glaube, dass jemand etwas grundlegend falsches als „Wissen“ darstellt. Dadurch wird nämlich der Fragesteller eher verwirrt als ihm geholfen und das Forum wird teilweise entwertet.

Michael

#11

http://www.optik.uni-erlangen.de/odem/seminar/ss11/Emanuel_Eichhammer.pdf