Sähköinen siirtyminen
Elektroninen siirtyminen , joka tunnetaan myös kvanttihypyn , on muutos energiataso elektronin käytettäessä atomi , molekyyli tai ( kiteisen ) kiinteänä aineena . Tällaisia siirtymiä kutsutaan elektroninen koska elektroneja (in puolijohteet , joka on vika elektroni voi myös olla tarkoitettu) muuttaa sen energian tasolla.
Jos fotoni säteilee ( virityksen poisto ) tai absorboitu ( heräte ) tämän siirtymisen aikana , siirtymää kutsutaan myös optiseksi tai säteileväksi siirtymäksi. Jos fotoni absorboituu, järjestelmä siirtyy viritystilaan . Virityksenpoistosiirtymät voidaan jakaa spontaaneihin emissioihin ja indusoituihin emissioihin .
Säteilevien siirtymien lisäksi on myös ei-säteileviä siirtymiä, kuten Auger-efekti tai iskuionisaatio . Muita kvanttimekaanisia siirtymiä ovat mm. B. vibronic siirtymiä , joissa molekyyli muuttaa sen värähtelyn taajuus , kun vuorovaikutuksessa fotoni ja phonon- fotonin vuorovaikutusta puolijohteissa.
todennäköisyys
Kvanttimekaanisessa kuvauksessa atomilla, molekyylillä tai kiteisellä kiinteällä aineella on mahdollisia erillisiä tiloja, joilla on erilaiset energiat ( energiatasot ). Pienimmän energian tila on perustila .
Nämä tilat ovat elektronien käytössä termodynaamisessa tasapainossa :
- atomeissa tai molekyyleissä Boltzmannin jakauman mukaan
- kiinteissä aineissa, esim. B. puolijohteet Fermin jakauman mukaan .
Yleensä: alhaisemman energian tilat ovat todennäköisemmin miehitettyjä kuin korkeamman energian tilat. Nämä ammatin todennäköisyydet vaikuttavat siirtymien siirtymistodennäköisyyksiin.
Ensimmäisenä lähentymänä siirtymän todennäköisyydet kuvataan Fermin kultaisella säännöllä . Einstein-kertoimet antavat siirtymän todennäköisyydet yksinkertaisimmalle energiamittarijärjestelmän mallille, kaksitasoiselle järjestelmälle .
Elektroni ei voi siirtyä miltä tahansa energiatasolta toiselle, koska Paulin periaatteen vuoksi kaksi elektronia ei voi olla samassa tilassa . Lisäksi symmetria voi johtaa mahdollisten siirtymien valintasääntöihin tai kiellettyihin siirtymiin . Samoin z. Esimerkiksi pyörähdyssymmetrinen järjestelmissä koko impulssimomentti on konservoitunut määrä siten, että summa impulssimomentti atomin (koostuu rataimpulssimomentin , spin elektronien ja ydin- spin ) ja sähkömagneettisen kentän ei muutos siirtymävaiheessa . Tämä rajoittaa z. B. siirtymissä, joissa on vain yksi fotoni, sallitut siirtymät voimakkaasti.
havainto
Elektronisia siirtymiä havaitaan kokeellisesti, esimerkiksi fluoresenssissa tai Raman -spektroskopiassa . Herätetyn näytteen lähettämä valo spektroskoopataan. Elektronin energiaero ennen ja jälkeen säteilevän siirtymän kuljetetaan pois fotonilla, joka edistää resonanssilinjaa fluoresenssispektrissä. Resonanssi linjat tai taustalla sähköisen siirtymiä luokitellaan ja näytetään käyttäen termiä järjestelmiä tai Grotrian kaaviot .
Vetyatomin ja vedyn kaltaisten ionien elektroniset siirtymät ymmärretään parhaiten, koska nämä ovat ainoita hiukkasia, joiden energiatasot voidaan laskea kvanttimekaanisesti ilman lähentämistä.
tarina
Vuonna 1802 kemisti William Hyde Wollaston löysi auringonvalon spektristä tummia viivoja , jotka Joseph von Fraunhofer löysi uudelleen vuonna 1814 ja joita kutsutaan Fraunhofer -linjoiksi. Gustav Robert Kirchhoff ja Robert Wilhelm Bunsen totesivat vuonna 1861, että jokainen kemiallinen elementti säteilee ominaislinjoja, ja selittivät Fraunhoferin linjat auringon ylempien kerrosten elementtien absorptiolinjoiksi . Vuonna 1885, Johann Balmer oli pystyy tallentamaan osan spektriviivojen vety, joka tunnetaan balmerin sarja , jossa on empiirinen kaava. Johannes Rydberg yleisti tämän kaavan Rydbergin kaavaksi vuonna 1888 . Elektroniset siirtymät voidaan myös indusoi mukaan elektroni vaikutuksia, niin, että vuonna 1913 James Franck ja Gustav Hertz selitetty niiden Franck-Hertz koe , että atomit ovat erillisiä energian tasoilla.
Vuonna 1913 Niels Bohr pystyi suunnittelemaan Bohrin atomimallin , joka ensimmäistä kertaa salli elektronin erilliset energiatasot ja selitti joitain vetyä koskevia havaintoja. Arnold Sommerfeld laajensi Bohr -mallia vuosina 1915/16 ja kykeni selittämään hienon rakenteen jakautumisen. Samaan aikaan Albert Einstein kehitti Einsteinin nopeuskaavion, joka mahdollisti ensimmäistä kertaa siirtymän todennäköisyyden laskemisen kaksitasoisessa järjestelmässä. Lise Meitner löysi säteilyttömät elektroniset siirtymät vuonna 1922 röntgenkokeiden yhteydessä , jotka Pierre Auger löysi myös itsenäisesti vuonna 1926 ja joita kutsutaan nyt Auger-ilmiöiksi . Nykypäivän puolijohdekomponenteissa, kuten fotodiodit ja laserdiodit , tiettyjen optisten siirtymien kohdennetulla valinnalla on suuri merkitys; resonaattoreita käytetään pääasiassa tähän tarkoitukseen.
Katso myös
kirjallisuus
- Wolfgang Demtröder : Atomit, molekyylit ja fotonit: johdanto atomi-, molekyyli- ja kvanttifysiikkaan . Springer, 2010 ( rajoitettu esikatselu Google -teoshaussa).
Yksilöllisiä todisteita
- ↑ Joseph Fraunhofer: Eri lasityyppien taitekyvyn ja värien hajautumiskyvyn määrittäminen suhteessa akromaattisen kaukoputken parantamiseen . Julkaisussa: Annals of Physics . nauha 56 , ei. 7 , 1817, s. 264-313 , doi : 10.1002 / andp.18170560706 .
- ↑ G. Kirchhoff, R. Bunsen: Kemiallinen analyysi spektrin havaintojen avulla . Julkaisussa: Annals of Physics and Chemistry . nauha 189 , ei. 7 , 1861, s. 337-381 , doi : 10.1002 / andp.18611890702 .
- ↑ Hermann Haken, Hans Christoph Wolf: Atomi- ja kvanttifysiikka: Johdatus kokeellisiin ja teoreettisiin perusteisiin . 8., päivitetty ja laajennettu Painos. Springer, 2004, ISBN 3-540-02621-5 , s. 116 .
- ↑ Albert Einstein: Säteilyn kvanttiteoriasta . Julkaisussa: Physikalische Zeitschrift . nauha 18 , 1917, s. 121–128 (painettu ensimmäisen kerran Physikalische Gesellschaft Zürichin tiedonannossa).
- ↑ Lise Meitner: Tietoja β-säteilystä ja sen yhteydestä γ-säteilyyn . Julkaisussa: Journal of Physics A Hadrons and Nuclei . Ei. 11 , 1922, ISSN 0939-7922 , s. 35-54 , doi : 10.1007 / BF01328399 .