¿Por qué los fotones excitan a los electrones?

Question

Sé que cuando los electrones se encuentran con fotones, se excitan y como resultado se mueven a una órbita más alejada del núcleo de un átomo. Lo que quiero saber es exactamente por qué los fotones causa los electrones para entrar en este estado.

Edición: Lo siento, no he sido muy claro. Lo que quiero decir es, ¿por qué los fotones interactúan con los electrones?

Answer 1

Lo siento, no he sido muy claro. Lo que quiero decir es, ¿por qué los fotones interactúan con los electrones?

Lo que hemos descubierto hasta ahora con nuestros estudios en física es que existen 4 interacciones fundamentales de partículas elementales .

Tanto el fotón como el electrón son partículas elementales e interactúan con la interacción electromagnética.

Ahora bien, los electrones pueden estar libres, como por ejemplo en el haz de un acelerador, o unidos con la interacción electromagnética en un átomo, como en el átomo de hidrógeno .

Si están libres, un fotón que los golpee se dispersará elásticamente, o podría ceder parte de su energía al electrón y marcharse con una energía/frecuencia menor ( $E=h\nu$ ).

Si está ligado, se encuentra en un nivel de energía sobre el núcleo que tiene un único, energía cuantificada , $E_1$ . Por encima de ella habrá niveles de energía desocupados . Un fotón entrante, si tiene una energía que corresponde a la diferencia entre un nivel de energía vacío $E_2$ es decir, tiene energía $E_2-E_1$ puede transferir su energía al electrón levantándolo y desapareciendo como un fotón individual . El electrón probablemente decaerá desde ese nivel de energía emitiendo un fotón de energía $E_2-E_1$ pero será un fotón diferente. En los núcleos con grandes $Z$ puede haber cascadas de fotones si la energía del fotón inicializador es grande y existen niveles de energía intermedios.

Ahora bien, si vamos a segunda cuantificación El fotón interactúa con el electrón porque es el portador de la fuerza electromagnética. Esto cubre tanto el estado ligado como el no ligado del electrón, excepto que en el caso ligado todavía la energía tiene que ser $E_2-E_1$ para dar una probabilidad de interacción lo suficientemente grande.

Answer 2

Los fotones son ondas electromagnéticas que se propagan en paquetes de ondas. Estos paquetes de ondas llevan una cantidad definida de energía cuantificada.

Cuando un fotón interactúa con un electrón, cede su energía al electrón. El electrón tendrá más energía y, por tanto, una mayor velocidad. Esto significa que el electrón "orbitará" más lejos del núcleo (la densidad de probabilidad de encontrar el electrón será mayor a mayor distancia del núcleo).

Si el nuevo orbital del electrón es un orbital permitido, el electrón podría permanecer en este orbital durante un tiempo y luego decaer de nuevo a su posición de estado básico. En ese momento, el electrón emitirá un fotón para ceder la energía extra.

Si el nuevo orbital del electrón no es uno permitido (la mecánica cuántica te dice cuál es el orbital permitido) entonces decimos que el electrón pasa a un estado virtual (un estado que no existe) e inmediatamente vuelve a emitir el fotón.

Puede encontrar una descripción matemáticamente más complicada aquí: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/relativ/photel.html

Answer 3

Los científicos cuánticos llegaron a la conclusión de que debían olvidarse de la pregunta del por qué. ¿Te has dado cuenta de que las respuestas anteriores sólo hablan de qué ¿pero no sobre el mecanismo por el que ocurre? Hay algunos cálculos que se pueden hacer sobre la energía de los fotones que hacen que los electrones se desplacen en un ángulo determinado, y la energía del fotón que sobra, y la probabilidad de que se produzca esa interacción, pero no hay un por qué para responder a esta pregunta en la mecánica cuántica. Es simplemente lo que ocurre.

Podemos agitar las manos ante el fenómeno y decir que, dado que los fotones tienen características ondulatorias, y dado que estas ondas son, al menos en parte, de carácter electromagnético, entonces hay un campo electromagnético disponible con un fotón que podría empujar/tirar de un electrón. Tal vez sea lo mejor que podemos hacer para esta cuestión.

Answer 4

Si la órbita de los electrones fuera como una banda elástica retorcida, y un fotón fuera como una banda elástica... y.. Cuando el fotón golpeó las bandas se fusionaron para producir una banda de goma más grande.... ok... y la banda podría ser doblada/torcida para que coincida con otro nivel orbital/energético. Entonces el electrón está "excitado" y no en el estado de tierra.

Desgraciadamente, esa goma extra que ha absorbido no puede ni va a ser permanente. Una cantidad similar a la absorbida vuelve a salir. Esencialmente se emite un nuevo fotón. Así es como lo imagino en mi cabeza. 2 s es un anillo de goma redondo. 2 p es una banda elástica en forma de 8. Siempre me imagino bandas elásticas o cintas porque el electrón puede seguir caminos muy exóticos en 3 dimensiones y no chocar entre sí :-)

Por qué sucede..... No lo sé. Al igual que las manchas de líquido, tal vez puedan unirse, pero tal vez el impulso del fotón inicial desgarre la mancha de carbón.

Manchas tóricas de líquido/energía retorcidas en extrañas formas orbitales. Funciones de probabilidad de dónde pueden estar un fotón y un electrón y cómo se superponen durante un breve período.

Answer 5

https://www.youtube.com/watch?v=GBlE8Pc-Os4

Echa un vistazo a este vídeo, si un fotón es un campo eléctrico y magnético oscilante entonces, a la energía adecuada existe el potencial de hacer trabajo sobre un electrón en uno de estos picos, es decir, interactuar con él. Espero que esta sencilla respuesta sea lo que estabas buscando.