¿Qué tan pronto un electrón devuelve el fotón absorbido?

Esta pregunta involucra dos casos: electrones unidos a un núcleo y electrones libres.

electrones enlazados

Consideremos el átomo de hidrógeno por simplicidad. Hasta donde yo sé, para poder excitar al electrón, la energía del fotón debe estar en valores discretos correspondientes a la diferencia entre los niveles de energía dentro del átomo de hidrógeno. Por cierto, en este enlace , la respuesta establece que no son los electrones los que absorben el fotón, sino el átomo en general, lo que tiene sentido para mí (corrija o aclare si es incorrecto).

La pregunta es ¿cuánto tiempo permanece el electrón en ese estado excitado, es decir, con qué rapidez se emite el fotón de regreso? ¿Es lo mismo para todos los niveles de energía y todas las condiciones como densidad de partículas (cuando hay muchos átomos juntos), temperatura, presencia de campo eléctrico, estructura del núcleo (recuento de neutrones), etc.?

electrones libres

Nuevamente, de acuerdo con el mismo enlace , los electrones libres no absorben fotones, lo que significa que solo experimentan dispersión Compton . ¿Es esto correcto? Si no, ¿cuánto tiempo tarda en emitirse el fotón? ¿La ganancia de energía es permanente?

Respuestas (2)

la respuesta dice que no son los electrones los que absorben el fotón sino el átomo en general,

Eso es cierto, el sistema núcleo-electrones absorbe la energía. En la aproximación habitual de un núcleo en reposo (debido a su masa mucho mayor, una buena aproximación), se habla de que el electrón cambia de orbital y pasa a un nivel de energía más alto.

La pregunta es ¿cuánto tiempo permanece el electrón en ese estado excitado, es decir, con qué rapidez se emite el fotón de regreso?

La pregunta se responde por el ancho de la línea espectral por la incertidumbre energía-tiempo , aunque para obtener el número correcto se debe estudiar el ensanchamiento general que puede existir.

lo que significa que solo se someten a dispersión Compton.

Esto es correcto, aunque incluiría todo tipo de dispersiones (Compton es de alta energía).

Si es el sistema núcleo-electrones el que absorbe la energía, entonces es este mismo sistema el que cambia el nivel de energía, no solo un electrón.
@Ruslan sí, pero yo, debido a que el núcleo es tan pequeño y mucho más pesado, hablamos de electrones en orbitales como si el núcleo estuviera en reposo, sus orbitales confinados en radios tan pequeños
Mi punto es que en la primera parte de la oración habla sobre el sistema núcleo-electrones, y en la segunda asume silenciosamente la aproximación de núcleo fijo, invalidando la cita que se responde y la primera parte de su oración.
@Ruslan lo he aclarado
@annav En su respuesta, escribió 'la masa del electrón es fija, y si pudiera absorber un fotón, en el centro de masa del electrón, la masa tendría que cambiar, lo que contradice las observaciones' . Pero en este enlace que proporcionó, escribe 'La medición de la energía de la masa de una partícula inestable una gran cantidad de veces da una distribución de energías llamada distribución Lorentziana o Breit-Wigner' . ¿Cómo observamos la distribución si la masa del electrón es constante?
@ Xfce4 El electrón es estable en la medida en que nuestras mediciones pueden detectar, por lo que el comentario no se aplica a él. La distribución de una partícula estable es una función delta en.wikipedia.org/wiki/Dirac_delta_function , lo que significa que en un experimento que mide la masa de electrones solo obtendríamos la distribución de error experimental.
@annav Ok, pero si la distribución se debe solo a un error experimental, ¿cómo podemos usar esa distribución para determinar cuánto tiempo permanece el electrón en el estado excitado?
@ Xfce4 Estoy hablando de experimentos que miden la masa del electrón . Las energías de transición en los átomos son mucho mayores que los errores experimentales al medir la masa del electrón. ver arxiv.org/abs/1406.5590 . En unidades de masa atómica =0.000 548 579 909 067(14)(9)(2) ver la publicación para los errores (los números entre paréntesis) ecuación 5).
@annav La pregunta es "¿Qué tan pronto un electrón emite el fotón absorbido?" En su respuesta, proporcionó este enlace . No entiendo cómo nos ayudará este enlace si la masa del electrón es siempre constante.
@ Xfce4 La masa fija del electrón (y el núcleo) se usa para calcular los espectros, por ejemplo, para el hidrógeno, el ancho se debe a las razones dadas aquí www-star.st-and.ac.uk/~kw25/teaching/ nebulae/… , no una variación de masas sino de la envolvente espacial de probabilidad dada por el HUP.
@annav Oh, la distribución no implica que la masa cambie, aunque se exprese como mi 0 = metro 0 C 2 . La distribución es encontrar la cantidad de incertidumbre en la energía. De eso deducimos la incertidumbre en el tiempo y eso da una idea sobre el tiempo promedio en que el electrón regresa al estado fundamental, supongo. Gracias.

Un átomo aislado en estado excitado permanecería allí para siempre. Sin embargo, el átomo interactúa necesariamente con el campo electromagnético, otros átomos, etc., lo que haría que reemitiera el fotón. Algunos de estos procesos, como la emisión espontánea , son independientes de la temperatura y otras condiciones. Otros, como la emisión estimulada o la relajación debida a colisiones con otros átomos, pueden depender de la temperatura.

Un átomo aislado en estado excitado permanecería allí para siempre. Sin embargo, el átomo necesariamente interactúa con... Esa parte es genial. Mirando la interpretación QM de los orbitales, esto es lo que esperaría. Porque una vez que la WF del electrón encaja en un orbital (como una partícula en una caja 1-D), ¿por qué cambiaría su estado sin interrupción? Si fuera obligatorio que los electrones cayeran en orbitales más bajos sin un factor ambiental, ¿no actuarían siempre de la misma manera y caerían con la misma duración? Pero aún así, ¿estás seguro de la exactitud de esa afirmación?
Sí. Pero normalmente el átomo está acoplado al campo electromagnético, incluso si está en el vacío. Es por eso que finalmente emite espontáneamente un fotón. Se llama tiempo de vida natural de un estado excitado.
...normalmente el átomo está acoplado al campo electromagnético, incluso si está en el vacío. ¿Es esta declaración de la teoría cuántica de campos sobre los campos que cubren todo el universo o se refiere al campo electromagnético clásico entre el electrón y el protón?
Es una declaración cuántica: con el campo em clásico no se puede derivar la emisión espontánea.
¿Qué tan pronto un electrón devuelve el fotón absorbido?
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