Elektromagnetische Wellen und Elektronenschwingung

Wissenschaft Physik
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Hallo,
wenn eine elektromagnetische Welle durch Materie geht, dann gibt es zwei Möglichkeiten:
Entweder die Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz einer Energiestufe, dann wird ein Atom/Molekül angeregt und es wird genau ein Photon dabei absorbiert um das Atom/Molekül anzuregen.

Wie ist es aber, wenn die Frequenz keiner Resonanzfrequenz entspricht?
Die Elektronen werden dann zum Schwingen angeregt, aber es wird ja dann kein ganzes Photon absorbiert und halbe Photonen gibt es nicht.
Also wie kann man sich den Energieaustausch erklären, dass eine Welle die Atome/Moleküle zum Schwingen bringt, aber nicht deren Resonanzfrequenz entspricht?
Ich meine, in der Schwingung steckt trotzdem Energie, aber wie kommt die da rein, denn aus dem elektromagnetischen Feld kann man ja nur ein vielfaches eines Photons aufnehmen, welches der Frequenz des Feldes als kleinste Energieportion mit E=h*f entspricht.
Oder steckt in dieser Schwingung womöglich keine Energie, weil einfach das Feld zwischen Atomkern und Elektron verändert wird?
Wie eine mechanische Feder, wo man die Federhärte ändern könnte, dann würde es doch auch zu einer Schwingung kommen, ohne das mehr Energie bräuchte.

Vielen Dank

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Ich vermute mal
Hallo Tim,

wenn eine elektromagnetische Welle durch Materie geht, dann
gibt es zwei Möglichkeiten:

sogar noch mehr …

Entweder die Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz einer
Energiestufe, dann wird ein Atom/Molekül angeregt und es wird
genau ein Photon dabei absorbiert um das Atom/Molekül
anzuregen.

Richtig, wenn du Stufe mit Energiedifferenz gleichsetzt.

Wie ist es aber, wenn die Frequenz keiner Resonanzfrequenz
entspricht?
Die Elektronen werden dann zum Schwingen angeregt, aber es
wird ja dann kein ganzes Photon absorbiert und halbe Photonen
gibt es nicht.

In Summe wird dann nichts angeregt und auch nichts absorbiert. Daher ist der Körper auch weiß/transparent und bleibt kühl.

Es ist eben keine „passende“ Energiedifferenz im Bereich des sichtbaren Lichts vorhanden, IR und UV lassen wir mal außen vor.

Also wie kann man sich den Energieaustausch erklären, dass
eine Welle die Atome/Moleküle zum Schwingen bringt, aber nicht
deren Resonanzfrequenz entspricht?

Ich meine, in der Schwingung steckt trotzdem Energie, aber wie
kommt die da rein, denn aus dem elektromagnetischen Feld kann
man ja nur ein vielfaches eines Photons aufnehmen, welches der
Frequenz des Feldes als kleinste Energieportion mit E=h*f
entspricht.

Wenn kein Photon absorbiert wird, wird auch keine Energie übertragen.

Ich vermute, dass du eigentlich auf was ganz anderes hinaus willst, auf die Lichtbrechung und die Verlangsamung des Licht aufgrund der Wechselwirkung mit den Elektronen.

Dies lässt sich mit dem Wellenmodell des Lichts leichter verstehen - die Wellen werden gebremst, weil sie sozusagen einen Hindernislauf vollführen.
Quantenmechanisch wird ein Photon absorbiert und - weils nicht passt und Heisenberg recht streng ist - fast augenblicklich wieder reemmitiert. Für Photon und Mölekül ist danach also alles beim Alten, bis auf die Verzögerung.

Oder steckt in dieser Schwingung womöglich keine Energie, weil
einfach das Feld zwischen Atomkern und Elektron verändert
wird?
Wie eine mechanische Feder, wo man die Federhärte ändern
könnte, dann würde es doch auch zu einer Schwingung kommen,
ohne das mehr Energie bräuchte.

Falls es Anregungsstände gleicher Energie gibt, sollte ein Wechsel zwischen den beiden auch nicht mit Absorbtion/Emmission verbunden sein.

Gruß, Zoelomat

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Hallo,
also auf Beugung und Brechung wollte ich nicht hinaus.

Mal zusammenfassen: Materie wechselwirkt nur dann mit elektromagnetischer Strahlung, falls es eine entsprechende Energiedifferenz zwischen zwei Zuständen gibt.

Dann erklärt man die Wechselwirkung von Materie, die Licht verlangsamt, dadurch, dass die Absorption und Emission etwas Zeit braucht, weil die Zustände dann mehr oder weniger stabil sind.

Die ganzen Näherungen, wie Lorentz-Oszillator in de Festkörperphysik, funktionieren nur deswegen, weil es in einem Festkörper so viele Energiestufen nahe beieinander gibt, dass man eine kontinuierliche Wechselwirkung mit jeder Energiestufe annehmen kann.

Also entweder gibt es eine entsprechende Energiestufe oder auch Resonanzfrequenz, oder das Atom wechselwirkt nicht mit der elektromagnetischen Welle.
Wenn dann ein Photon absorbiert ist, muss die Welle ja nicht gedämpft werden, weil das Photon wieder im ganzen emittiert werden kann entsprechender Richtung von positiver Interferenz.
Sollte es in mehreren Stufen emittiert werden oder gar ganz in Wärme umgewandelt werden, spricht man von Dämpfung.

In einem Wasserstoffatom gibt es ja nur eine handvoll Energiestufen. Das heißt in so einem einatomigen Wasserstoffgas würden die meisten Frequenzen einfach hindurch, als wäre es Vakuum und ist das Gas noch so dicht. Weil die Elektronen eben nur mit den paar diskreten Frequenzen wechselwirken und sonst mit keiner.

Aber wie erklärt man sich denn die Polarisation eines Isolators bzw. Dielektrikums?
Sind also Orbitale auch im Raum orientiert zu sehen, dass dann die Elektronen eines Kerns im Festkörper eher ein Orbital entsprechend dem im Moment mit der elektromagnetischen Welle übertragenem elektrischen Feld besetzen und dadurch die Polarisation quantenmechanisch erklärbar ist?
Das elektrische Feld der elektromagnetischen Welle sorgt dafür, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der meisten Elektronen dann alle links oder rechts eines Atoms sind.
Stimmt das?

Das ist mal meine Interpretation.
Stimmt das so grob?

Vielen Dank

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Hallo,

also auf Beugung und Brechung wollte ich nicht hinaus.

noch nicht!

Mal zusammenfassen: Materie wechselwirkt nur dann mit
elektromagnetischer Strahlung, falls es eine entsprechende
Energiedifferenz zwischen zwei Zuständen gibt.

Richtig.

Dann erklärt man die Wechselwirkung von Materie, die Licht
verlangsamt, dadurch, dass die Absorption und Emission etwas
Zeit braucht, weil die Zustände dann mehr oder weniger stabil
sind.

Richtig, wobei das tiefer in die Quanten-Theorie geht, als ich folgen kann.

Die ganzen Näherungen, wie Lorentz-Oszillator in de
Festkörperphysik, funktionieren nur deswegen, weil es in einem
Festkörper so viele Energiestufen nahe beieinander gibt, dass
man eine kontinuierliche Wechselwirkung mit jeder Energiestufe
annehmen kann.

Hab http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzoszillator nur grob verstanden, denke aber, dass du recht hast. Die Frequenzen dort scheinen mir um Größenordnungen geringer als die von Licht, soßass sie allenfalls Gitterschwingungen anregen können.

Also entweder gibt es eine entsprechende Energiestufe oder
auch Resonanzfrequenz, oder das Atom wechselwirkt nicht mit
der elektromagnetischen Welle.

Richtig. Ein gutes Beispiel wäre auch die IR-Absorbtion durch mehratomige und/oder polare Moleküle. N und O haben einfach kaum Schwingungsmöglichkeiten und daher auch wenig „passende“ Übergänge.

Wenn dann ein Photon absorbiert ist, muss die Welle ja nicht
gedämpft werden, weil das Photon wieder im ganzen emittiert
werden kann entsprechender Richtung von positiver Interferenz.
Sollte es in mehreren Stufen emittiert werden oder gar ganz in
Wärme umgewandelt werden, spricht man von Dämpfung.

Wenn ich dich richtig verstehe, bist du jetzt wieder vom Oszillator weg.

Diese Absorbtion und sofortige Re-Emmission ist sicherlich richtig im Rahmen der Quantentheorie. Aber anschaulicher (und wohl genauso richtig) wäre die Betrachtung als Welle.

In einem Wasserstoffatom gibt es ja nur eine handvoll
Energiestufen. Das heißt in so einem einatomigen
Wasserstoffgas würden die meisten Frequenzen einfach hindurch,
als wäre es Vakuum und ist das Gas noch so dicht. …

Schau mal unter http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Entkopplung_der…:

Als sich Atome (aus Plasma) bildeten, wurde das All durchsichtig.

… Weil die Elektronen eben nur mit den paar diskreten Frequenzen
wechselwirken und sonst mit keiner.

Richtig.

Aber wie erklärt man sich denn die Polarisation eines
Isolators bzw. Dielektrikums?

Das sind ganz andere Frequenzen - oder sogar statische Elektrizität.

Wie man die quantisch beschreibt, entzieht sich meiner Kenntnis. Und ob das überhaupt sinnvoll ist, möchte ich bezweifeln.

Sind also Orbitale auch im Raum orientiert zu sehen, dass dann
die Elektronen eines Kerns im Festkörper eher ein Orbital
entsprechend dem im Moment mit der elektromagnetischen Welle
übertragenem elektrischen Feld besetzen und dadurch die
Polarisation quantenmechanisch erklärbar ist?
Das elektrische Feld der elektromagnetischen Welle sorgt
dafür, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der meisten
Elektronen dann alle links oder rechts eines Atoms sind.
Stimmt das?

Es kommen auch andere Aspekte hinzu, im Wasser z.B. drehen sich die Dipole dem Feld entsprechend aus.

Aber im Prinzip dürfte gelten:
Elektrische und magentische Felder beeinflussen alles geladene, Kern und Hülle in entgegengesetzte Richtung. Daher dürfte auch jedes einzelne Atom etwas „eirig“ werden.

Aber frag mich nicht nach Details.

Das ist mal meine Interpretation.
Stimmt das so grob?

Denke schon.

Und wenn du schon so tief einsteigst, kennst du http://de.wikipedia.org/wiki/Phonon schon?
Und damit zusammenhängend http://de.wikipedia.org/wiki/M%C3%B6%C3%9Fbauer-Effekt?

Viel Spaß!