Cuando un átomo emite un fotón, ¿todas las direcciones son igualmente probables?

Cuando un átomo tiene un electrón en un nivel de energía excitado y pasa a un nivel inferior, emite un fotón. ¿En qué dirección es probable que emita el fotón? ¿Son todas las direcciones igualmente probables, incluso hacia el núcleo?

Eche un vistazo, podría estar en la misma línea: physics.stackexchange.com/q/22001 en realidad, ¿cómo explicaría un espejo o la ley de Snell en el caso anterior?
Echa un vistazo al patrón de emisión del dipolo. Esta es una buena aproximación para moléculas luminiscentes (y probablemente también para átomos). Terminas con un s i norte 2 ( θ ) perfil si la memoria no me falla.

Respuestas (2)

En el caso general, "no", ya que hay una transferencia de momento angular involucrada (lo que significa que hay direcciones preferidas en relación con el momento angular original y/o final del átomo).

Dicho esto, para la mayoría de la materia a temperatura ambiente, los átomos tienen una orientación aleatoria, por lo que puede tratar la respuesta como "sí" con fines experimentales.

Ahora, veo que te estás preguntando sobre el núcleo de la pregunta. Hay dos cosas a tener en cuenta aquí.

  • Primero, puede estar pensando que el fotón es emitido por el electrón y que el electrón está en un lado particular del átomo en el momento de la emisión. (Es decir, es posible que tenga alguna versión del átomo de Rutherford/Bohr/de Broglie casi completamente incorrecta en su cabeza).

    Es el sistema de núcleo y electrón(es) el que sufre un cambio y emite un fotón, e incluso desde el principio se pregunta "¿de qué parte del átomo se libera el fotón?" no tiene una respuesta precisa.

  • En segundo lugar, el núcleo también es un sistema cuántico y no puede absorber cantidades arbitrarias de energía en cambios internos (tampoco podría absorberla en un movimiento de traslación arbitrario porque eso violaría la conservación del momento --- arrastra el electrón con él, después de todo). Las divisiones de energía nuclear son generalmente demasiado grandes para absorber un fotón atómico.

"'no' ya que hay una transferencia de momento angular involucrada". Creo que esto está mal. Sí, hay una transferencia de momento angular involucrada, pero eso correspondería a la polarización del fotón emitido, pero no a la dirección de su propagación.
@aquirdturtle Los fotones no tienen grados de polarización. Cada uno está polarizado circularmente, ya sea paralelo o antiparalelo a su dirección de movimiento. Esta es una característica de que no tienen masa (lo que también les impide exhibir el tercer estado que se esperaría de una partícula de espín = 1). Puede hacer un uso experimental de este límite construyendo objetivos polarizados.
"Cada uno está polarizado circularmente, ya sea paralelo o antiparalelo a su dirección de movimiento". Es mejor pensar en ello en relación con el átomo. En relación con el eje del átomo que tiene σ + , σ − , o π polarización. Estas diferentes configuraciones tienen diferentes direcciones de momento angular en relación con el átomo, lo que permite que el fotón emitido se lleve el momento angular de la partícula a través de su orientación de polarización, no de su dirección de propagación.
@aquirdturtle Cierto, la función de onda del fotón tiene un componente de polarización, pero la medición de un solo fotón solo puede mostrar + o - giro. La polarización es una construcción matemática que se suma en un haz emergente, no medible en un solo fotón. Al alejarse del átomo, se aleja de un giro + o -1 en su dirección de movimiento y deja al átomo menos ese giro.
@annav Lo siento, pero creo que estás completamente equivocado en dos puntos. Los fotones son partículas de espín-1 y pueden tener 3 orientaciones, m_s = {-1,0,1}, no solo + o -. Eso corresponde a las tres polarizaciones que mencioné antes. En segundo lugar, la polarización de un fotón individual tiene implicaciones experimentales muy reales, cuyos efectos pueden verse en los experimentos fotónicos de Hong-Ou-Mandel.
@aquirdturtle Los fotones tienen masa cero, son partículas elementales que tienen giro uno pero solo dos componentes de giro +/-1 debido a la masa cero. Estoy de acuerdo en que en la mayor parte de las ondas electromagnéticas compuestas por muchos fotones, la polarización está ahí. Estoy hablando de dispersiones de fotones individuales. physics.stackexchange.com/questions/46643/… Puedo ver que el estado colectivo de cristal + fotón (no estaba al tanto del efecto) también podría depender del componente de polarización de la función de onda del fotón, ya que nuevamente es uno a muchos solución.
@annav hmm, interesante. Retiro mi punto sobre 3 polarizaciones; π la polarización es solo una superposición igual de σ + y σ − . Sin embargo, mi punto acerca de que los giros de fotones individuales tienen consecuencias experimentales reales sigue en pie. Busque el efecto HOM. También sigue en pie que no es la dirección de propagación de un fotón lo que se lleva el momento angular, sino la orientación (restringida) del espín.
@aquirdturtle Pero el giro de un solo fotón es a lo largo de su dirección de movimiento o en su contra. La función de onda que dará finalmente este espín tiene muchos componentes, pero en dos dispersiones de partículas el espín es + o - en la dirección de movimiento del fotón.
@annav Estoy de acuerdo. No veo cómo esto cambia mis puntos.
No estoy en un lugar donde pueda desenterrar referencias, pero la física de partículas experimental a veces se basa en el efecto de emisión anisotrópica. Es cierto que por lo general en un contexto nuclear.
@dmckee Interesante. Me encantaría que pudieras publicar algunas referencias en algún momento; Todavía no veo cómo la dirección de salida de una partícula de un átomo se correspondería con ningún intercambio de momento angular. Es cierto que estoy pensando más en un contexto de láseres y esas cosas.
@aquirdturtle También estoy de acuerdo en que en sistemas complejos, rayos electromagnéticos emergentes e interacciones con cristales, la diferencia entre polarización y espín es accesible para la medición. Sin embargo, la pregunta es sobre un átomo y un fotón. No estaba al tanto del efecto HOM. Gracias por traerlo a nuestro aviso. Es un efecto de orden superior donde entran intercambios virtuales (como en la dispersión de fotones) y allí están involucrados todos los aspectos. en.wikipedia.org/wiki/Hong%E2%80%93Ou%E2%80%93Mandel_effect
@aquirdturtle esto podría ayudar, feynmanlectures.caltech.edu/III_18.html

Depende del mecanismo por el cual se emite el fotón.

  • Emisión Estimulada: Sí, el fotón emitido heredará las características del fotón que lo estimuló, incluyendo su dirección de propagación. Así es como los láseres obtienen luz coherente.
  • Emisión espontánea: No, debe ser una orientación aleatoria. Otra forma de pensar en la emisión espontánea es como una emisión estimulada donde los fotones estimulantes son fotones virtuales, que tienen una orientación aleatoria.
Cuando un átomo emite un fotón, ¿todas las direcciones son igualmente probables?
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