Quantensprung in Zeitlupe

Ein Atom kann sich in stationären Zuständen befinden, z.B. mit den Quantenzahlen n,l,m = 1,0,0 (Grundzustand) und n,l,m = 2,1,0 (ein angeregter Zustand). Wie kann es seinen Zustand ändern?

 Durch Emission oder Absorption von elektromagnetischer Strahlung.


In der Quantenphysik berechnet man den Übergang von einem zum anderen Zustand durch die Überlagerung von Zuständen, z.B. mit den genannten Quantenzahlen, zu denen auch bestimmte Frequenzen gehören. Das Ergebnis ist eine Schwingung mit der Differenz der Frequenzen.
In der Animation sind neun Flächen gleicher Dichte der Elektronenladung (oder in der Sprache der Quantenphysik der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons) dargestellt, von violett (hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit) bis orange.
Das Atom führt eine Dipolschwingung aus (in der Mitte ist der positiv geladene Kern zu denken) und gibt deshalb Dipolstrahlung ab oder absorbiert sie.
Für Licht beträgt die Frequenz der Schwingung etwa 10^14Hz. Der Vorgang/Übergang kann bis zu einigen Nanosekunden dauern, also etwa 100000 Schwingungen - je Lebensdauer des angeregten Zustands.

Und wo ist nun der Quantensprung geblieben?

Weitere Quantensprünge

Quicktime-Movie (1,1MB)

 

Und so geht es in einem Atom zu, das sich nicht entscheiden kann, ob es sich im Zustand 4,0,0 oder 5,2,1 aufhalten soll. Je komplexer die Struktur, desto länger die Lebensdauer?

Der aufmerksame Betrachter sieht übrigens eine Rotation und Quadrupolstrahlung.

Und wo ist nun der Quantensprung geblieben?

(Der Programmierer hat es so eingerichtet, dass er nicht stattfindet ;-))

Weitere Quantensprünge

Hier hat der angeregte Zustand eine kurze Lebensdauer: 40 Schwingungen für die Anregung und 40 für die Rückkehr in den Grundzustand.

Und wo ist nun der Quantensprung geblieben?

Nun ja - ein Übergang scheint ja stattzufinden. Man sieht nur nicht was dabei rauskommt...

Weitere Quantensprünge

 

Diese Darstellung ist etwas abstrakter: Auf der blauen Membran schwingt das Elektron (Schnitt durch die 3D-Darstellungen der Elektronendichte von oben)  und produziert dabei auf dem roten Teppich (Maxwells Vakuum) ein Photon*.

Ob Schrödinger sich das so vorgestellt hat?

Jedenfalls meinte er: "If we have to go on with these damned quantum jumps, then I'm sorry that I ever got involved!"

 

* Die Darstellung der Elektronendichte ist physikalisch korrekt (H-Eigenfunktionen). Die Darstellung des Photons wurde mit  einer gewissen künstlerischen Freiheit programmiert (Transparenz des roten Teppichs :-)).
Die t-Achse sollte besser y-Achse heißen, stellt jedenfalls eine räumliche Dimension dar. Nach oben sind jeweils "Amplituden" abgetragen: Beim "Photon" die Amplitude eines Wellenpakets und für das Elektron die Wahrscheinlichkeitsdichte beim Übergang 2,1,0 -> 1,0,0.

Natürlich lassen sich diese Bilder in einem Maple-Worksheet mit wesentlich höherer Auflösung herstellen und interaktiv bearbeiten...

"Are there quantum jumps?"

Historisches zum Quantensprung

Weitere Quantensprünge

H-Orbitals aus ' Moderne Physik mit Maple'

Plancks Formel

Energieströmung

komma_AT_oe.uni-tuebingen.de

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