Absorción y emisión de fotones.

Considere el siguiente caso: un átomo de hidrógeno está en su estado fundamental en el vacío. Un único fotón de luz cuya energía es igual a la energía de transición del estado fundamental (n=1) al siguiente nivel de energía (n=2) es bombardeado sobre el átomo. Ahora, debido a que la energía del fotón es la misma que la energía de la energía de transición, el electrón en el estado fundamental se moverá al siguiente nivel de energía superior. Esto se conoce como absorción. Pero debido a que la energía total del átomo es más alta, querría ir a un nivel de energía más bajo. Esto se conoce como emisión espontánea. Pero el fotón liberado en la emisión espontánea es diferente del fotón bombardeado inicialmente (polarización, fase, etc.) pero tendrá la misma frecuencia.

Así que aquí está mi pregunta:

  1. ¿Por qué el fotón emitido difiere del fotón entrante?
  2. En el láser, el electrón excitado cuando es bombardeado con un fotón emite 2 fotones que tienen las mismas propiedades que el fotón entrante. ¿Por qué las propiedades del fotón entrante y los fotones salientes son las mismas?

Respuestas (3)

¿Por qué el fotón emitido difiere del fotón entrante?

Primero, el fotón emitido se retrasará un tiempo desde que se absorbió el primer fotón.

En segundo lugar, el fotón emitido se emitirá en una dirección y polarización aleatorias. Además, la fase de su onda EM asociada será aleatoria en lugar de coherente con el fotón absorbido.

En el láser, el electrón excitado cuando es bombardeado con un fotón emite 2 fotones que tienen las mismas propiedades que el fotón entrante.

Esta no es la forma habitual de verlo. Por lo general, solo decimos que aquí no hay un proceso de absorción: el fotón entrante continúa sin cambiar y se emite un fotón adicional.

¿Por qué las propiedades del fotón entrante y los fotones salientes son las mismas?

Porque este proceso es emisión estimulada en lugar de emisión espontánea. La emisión estimulada produce una radiación que es coherente con la radiación estimulante.

Su respuesta responde a mi pregunta en parte. Mi pregunta principal es ¿por qué la polarización/fase del fotón emitido es aleatoria en lugar de similar al fotón absorbido?
@physics2000, en emisión espontánea el primer fotón es absorbido y ya no existe. Luego, algún tiempo después (nanosegundos, microsegundos o megasegundos) se emite un nuevo fotón. Pero dado que el antiguo fotón ya no existe, no hay forma de que el nuevo fotón tenga ninguna conexión con él.
ahora esto tiene sentido. Pero, ¿por qué sucede lo contrario en la emisión estimulada? Gracias por la respuesta.
@physics2000, la emisión estimulada se puede considerar como un fenómeno resonante. El fotón entrante estimula una resonancia en el sistema atómico. Como en cualquier sistema resonante accionado, la respuesta accionada tiene una relación de fase (controlada) con la fuerza impulsora.
¿Cómo calculamos el tiempo de vida del estado excitado, en el caso de emisión espontánea?

En un láser la emisión de fotones ocurre debido a la emisión estimulada. La emisión estimulada ocurre cuando el electrón ya está en un estado excitado y un fotón incidente desencadena la emisión de un fotón idéntico con la misma frecuencia, fase y polarización que el fotón incidente. En la emisión espontánea, no existe una relación de fase entre el primer fotón que excitó al electrón a un nivel de energía superior y el fotón emitido. La emisión espontánea de fotones solo puede describirse en el marco de la electrodinámica cuántica, donde se describe la interacción del electrón con el campo electromagnético cuantificado.

Una publicación solo debe contener una pregunta, así que ignoro la segunda. El fotón emitido generalmente tiene propiedades diferentes del absorbido si el átomo en el momento de la emisión no es (totalmente) coherente consigo mismo en el momento de la absorción. Siempre que se conserven la energía-momento y el momento angular, cualquier cosa puede salir.

Absorción y emisión de fotones.
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