interactiunea dintre un atom si un foton

The Pauli exclusion principle forces some electrons to be farther from the nucleus than others, which is why all the electrons in an atom do not simply occupy the 1s orbital. When electrons absorb energy either from light (photons) or from heat (phonons), they move farther away from the atomic nuclei but they are only allowed to absorb energy that will land them into specific energy levels. This leads to emission lines and absorption lines.

When an electron is excited, it will not stay that way forever. On average there is a half-life for any particular energy level after which half of the electrons initially in that state will have decayed into a lower state. When such a decay occurs, the energy difference between the level the electron was at and the new level must be released either as a photon or a phonon. When an electron decays due to "timeout" it is said to be due to "spontaneous emission." The phase associated with the photon that is emitted is random and has to do with some quantum mechanical ideas concerning the atom's internal state. If a bunch of electrons were put into an excited state somehow and then left to relax, the resulting radiation would be very spectrally limited (only one wavelength of light would be present) but the individual photons would not be in phase with one another. This is also called fluorescence.


Other photons (i.e. an external electromagnetic field) will affect an atom's state. The quantum mechanical variables mentioned above are changed. Specifically the atom will act like a small electric dipole which will oscillate with the external field. One of the consequences of this oscillation is it encourages electrons to decay to the lower energy state. When it does this due to the presence of other photons, the released photon is in phase with the other photons and in the same direction as the other photons. This is known as stimulated emission.

Specifically the atom will act like a small electric dipole which will oscillate with the external field.

Asta stiam, doar am spus-o si eu in primul post, intrebarea mea era CUM anume se realizeaza aceasta rezonanta, in conditiile in care:

1. lungimea de unda a fotonului este cam de 5000 de ori mai mare decat diametrul unui atom (in conditiile astea, pt a putea capta o parte din energia fotonica, ar trebui ca atomul sa se comporte ca un oscilator acordat pe aceeasi frecventa ca si fotonul)
2. frecventa initiala de rezonanta a atomului e diferita de cea a fotonului cu care va interactiona

Diametrul unui atom este mult mai mic decat lungimea de unda a luminii!
Aici avem exemplul unui banal radio de buzunar. Pentru a capta o unda de lungime mare, ne-ar trebui o antena imensa, ceea ce nu este deloc practic. Ca sa rezolvam problema asta, avem in interiorul emitatorului un oscilator format dintr-o bobina si un condensator, acordat pe frecventa de emisie.

Dar cum explicam faptul ca atomul absoarbe energia provenita de la un foton, fara o sincronizare prealabila de frecventa? In mod normal ar trebui ca frecventa luminii sa fie aceeasi cu frecventa de rezonanta a atomului. Cum se realizeaza aceasta sincronizare?

Fenomenul pus in discutie este tipic pentru ilustrarea caracterului cuantic al luminii. Adica nu are sens fizic "lungimea de unda a fotonului" si nici "frecventa fotonului".

Am citit de vreo 5 ori postul tau si tot nu am inteles unde bati. Problema ta e ca tu tratezi atomul ca un dipol in experimentul mintal de fata cind de fapt cea mai buna descriere (cel mai bun model) este cel corpuscular, adica pur si simplu ciocniri binare (elastica daca energiile implicate sint mai mici decit cea mai mica energie de excitare a atomului, sau plastice - absorbtie si eventual emisie - daca aceasta energie este depasita). Tu de fapt ai expus aici una dintre problemele de la sfirsitul sec 19, imposibilitatea de a explica rezultate experimentale numai pe baza modelului ondulatoriu al luminii. Si uite-asa a aparut si fotonul

Nu. Nu asa se pune problema. Uite aici: http://www-als.lbl.g...ole_approx.html

It has long been known that this approximation is not valid for high photon energies (e.g., above 5 keV), where the photon wavelength is smaller than the size of the atom or molecule.

Hehe, am avut in vedere asta. Problema de fond este urmatoarea: tratam lumina ca unda sau ca particula in functie de modul in care putem explica mai bine un fenomen, pentru ca nu cunoastem realitatea de fapt, si in lipsa acestei cunoasteri ne imaginam modele. In cazul de fata daca privesc fotonii ca particule, explicatia este banala. Dar, de ce i-as privi ca particule, iar in alte cazuri ii privesc ca unde? Modelul trebuie sa corespunda realitatii, nu realitatea distorsionata in asa fel incat sa satisfaca un model ca sa putem sta noi linistiti ca avem o explicatie.

tot in sensul asta putem sa ne intrebam de ce nucleul atomic poate emite radiatie gama (fotoni) cu lg. de unda de 10^-10 cand el are dimensiuni de 10^-15.

Din fenomenele pe care le cunosc imi aduc aminte doar de sursele de ioni cu laser, unde ionizarea se facea in 2 pasi cu laser ACORDAT. Lg. de unda a laserului era potrivita in asa fel incat sa zboare un electron de pe paturile superioare din atom; primul laser excita atomul dupa care al doila ii zbura un electron.

Inca ceva diametrul unui atom e de ordinul a 10^-10m, iar lungimile de unda ale laserului in vizibil sunt de odinul nanometrilor, deci de 10^-9m. Mi se pare comparabil, nu cred ca e atat de mare diferenta pe care o invoci tu.

Ba da, asa se pune problema cand discutam de un foton individual, adica exact cazul pe care il discutam aici. Nu are sens fizic "lungimea de unda a fotonului". Aceasta expresie intalnita in articole de specialitate este doar un abuz de limbaj general acceptat pentru comoditatea exprimarii. Scoaterea din context a acelei fraze nu este o dovada a faptului ca fotonul are (printre alte caracteristici) si "lungime de unda". Formula matematica prin care se leaga frecventa de energie este doar o punte de legatura pur formala intre aspectul ondulatoriu si cel corpuscular al luminii. Asa ca uneori este mai comoda folosirea marimilor fizice ondulatorii in cazul fenomenelo complexe, in care unele aspecte pot fi explicate corpuscular, iar altele ondulatoriu. Este exact situatia descrisa de articolul pe care l-ai indicat.

Daca pastram asocierea cu un dipol, nu e nimic ciudat la emisie. La receptie e problema.

lungimea de unda = h*c / Energia fotonului.

Pana la urma orice corp poate avea natura ondulatorie, chiar si o minge de fotbal, dar dat fiind masa acestuia foarte mare, ea este neglijabila, de aceea obiectele macro nu exhiba proprietati cuantice. Insa cand depasim un anume prag, lucrurile se mai schimba.

Chiar si in cazul unui singur foton, experimentul double slit este valabil, deci...se poate comporta ca o unda.

Sa vorbim despre natura ondulatorie a unui foton este absurd. Asta pentru ca fotonul este un model matematic, pur teoretic, la fel ca si unda. Aceste doua modele (la fel ca orice alte modele utilizate in fizica) nu au realitate fizica obiectiva. Reala este lumina; ea are caracter dual, de unda si particula. La fel si electronul (protonul, neutronul...) este real si are caracter dual, de unda si particula. La fel si mingea de care vorbeai mai sus.
Fiecare din cele doua modele este caracterizat de un set de marimi fizice: unda - lungime de unda, viteza de propagare, frecventa, amplitudine..., iar cuanta (in particular, fotonul) - energie, masa, viteza, moment cinetic...
Pentru ca aceste doua modele descriu aceeasi realitate (in cazul discutat de noi, lumina), trebuie sa existe posibilitatea de trecere de la un set de marimi la celalalt. Exact la asta serveste formula matematica pe care ai scris-o mai sus.

La bază stă pompajul optic al electronilor în rubin, pentru laser, sau în gaz, pentru maser. Electronii excitați de fotoni sar pe un strat superior și recad, cu emisie de fotoni. Pompajul înseamnă săltarea mai multor fotoni pe un strat superior (pompaj) și căderea mai multora în același timp. Fotonii, emiși spontan, sunt sincronizați, formând raza laser/maser.  

http://www.referate1...rat-laserul.htm

„Modul de functionare al laserului il stiu foarte bine.. ” – (landscape10)

Un foton nu lovește atomul ci un electron de pe straturile superioare. E impropriu să spuneți că fotonul lovește atomul. În consecință electronul „urcă” pe un nivel superior, având o energie mai mare, egală cu diferența dintre nivelurile energetice E2 – E1. Descrierea modului de funcționare a laserului, pe care o faceți la #1, nu este corectă.

Foarte corect, nici eu n-as fi putut sa o spun mai bine. Ideea este ca nu prea avem o metodologie de trecere de la un model la altul in functie de situatie.

In cazul de fata ce anume provoaca excitatia unui electron? In urma impactului cu fotonul, un electron este "aruncat" catre o stare energetica mai inalta, pe care o pastreaza un timp foarte scurt, apoi revine la starea initiala prin emiterea unui foton.

De ce nu pot vedea acest proces ca pe o simpla ciocnire? Pentru ca energie rezultata in urma impactului este stocata in atom o perioada, apoi folosita pentru emiterea unui alt foton, deci are loc o transformare specifica energiei de tip EM. De aceea intreg ansamblul este vazut ca si interactiunea unui dipol cu o unda EM.

Exact! Daca ar exista o astfel de metodologie/algoritm, oricine ar putea sa o aplice si ar deveni fizician. Dar asa, sunt putine persoane care poseda intuitia si abilitatea necesare identificarii aspectelor unui fenomen care pot fi tratate cu un model sau cu altul.


In urma experimentelor de interactiune lumina-atom, s-a constatat ca modelul de interactiune dipol-unda EM nu poate explica toate aspectele observate, asa ca s-a apelat (de fapt atunci s-a inventat) la modelul cuantic, in care lumina nu mai e considerata o unda, ci un flux de "particule" posesoare de energie, impuls, masa. Bineinteles ca bunul nostru simt este puternic ultragiat de comportamentul anormal al acestor "particule" care dispar fara urma in momentul absorbtiei in atom si apar ca prin farmec in momentul emisiei din atom. Dar nu e singura "absurditate" pe care trebuie sa o acceptam ca atare in fenomenele cuantice.