Fotonien matka lasin läpi: naiivi QED-tulkinta

[jussi_k_kojootti]

1.) Fotoni absorpoituu lasin atomiin ja virittää sen, eli atomin elektroni nousee korkeammalle energiatasolle, E2.  Perustilassa elektronin energia = E1.

2.) Elektroni saa lasin "hilasta" ylimääräistä energiaa, E3, absorpoimalla monta fononia, ja tämä tapahtuu juuri sopivasti kun

3.) toinen fotoni, jonka taajuus E = hf = E2+E3-E1 häiritsee sähkökentällään kohdassa 1.) virittynyttä elektronia (jota vissiin saa kutsua myös eksitoniksi). Tapahtuu stimuloitu emissio, jonka jälkeen atomin "ohi" on päässyt kaksi fotonia, kummankin energia E = E2+E3-E1 ja suunta sama kuin jälkimmäisellä fotonilla.

4.) Kaksi fotonia on tullut, ja kaksi päässyt läpi.  Toistetaan noin miljoona kertaa, kunnes lasi on läpäisty.  Refraktiota eli valon taipumista en tällä tavoin osaa selittää (stimuloitu emissio säilyttää myös fotonin vaiheen).

Kohdan 2.) on ilman parempaa tietoa tapahduttava "juuri sopivasti", koska viritystilassa oleva elektroni ei voi kvanttimekaniikan pelisääntöjen mukaan virittyä uudestaan ylöspäin.  Eli fononi (tai fotoni) ei voi nostaa jo virittynyttä elektronia (vielä) korkeampaan energiatilaan (vaikka sellainen olisikin vapaana).  En tiedä miten tämä fononin absorpoiminen tapahtuu.  Lisäksi tuohon oli pakko laittaa "monta" fononia tuomaan lisäenergiaa, koska fononien energiat on infrapuna-alueella, sanokaamme n. 1-500meV, kun taas näkyvän valon energia on n. 1.5-3.5eV.  Eli, jos kohdassa 1.) virityksen tekee punainen fotoni (1.5eV) ja kohdassa 3.) virityksen purkaa sininen fotoni (3.5eV) niin avuksi tarvittaan satoja, jopa tuhansia fononeja.

[kimiza]

Vai tapahtuuko simppelisti niin, että koska lasissa olevien atomien korkeammat energiatilat E2 ovat niin korkealla, että näkyvän valon fotoneilla ei ole riittävästi energiaa niiden virittämiseen, fotonit eivät absorboidu atomeihin vaan jatkavat matkaansa niiden ohi ja lasin läpi?

[jussi_k_kojootti]

Vai tapahtuuko simppelisti niin, että koska lasissa olevien atomien korkeammat energiatilat E2 ovat niin korkealla, että näkyvän valon fotoneilla ei ole riittävästi energiaa niiden virittämiseen, fotonit eivät absorboidu atomeihin vaan jatkavat matkaansa niiden ohi ja lasin läpi?

Tämä on sama kuin että fotonit eivät lainkaan vuorovaikuttaisi väliaineen lasin kanssa.  Eli kaikkien aineiden lasin taitekerroin olisi 1, eikä valo hidastuisi; tosiasiassa tavallisen lasin taitekerroin on jossain 1.5:n paikkeilla (valon nopeutena n. 2/3*c).  Koko pähkäily, vai vitsikö tämä nyt on :), siis lähti liikkeelle siitä että fotonit kulkee aina valon tyhjiönopeudella, mutta vuorovaikuttaessaan väliaineen kanssa ne eivät välillä kulje lainkaan vaan viettävät aikaansa elektronien viritystiloina, mikä sitten voidaan tulkita niin että valon (ryhmä-)nopeus väliaineessa < c.

Edit: koetan pysyä aiheessa ...

[mistral]

fotonit kulkee aina valon tyhjiönopeudella, mutta vuorovaikuttaessaan väliaineen kanssa ne eivät välillä kulje lainkaan vaan viettävät aikaansa elektronien viritystiloina

Tuli mieleen näistä viritystiloista, että kuinka esimerkiksi valkoinen valo, joka sisältää paljon eri energiaisia fotoneja, voi virittää  elektronin jolla kuitenkin on kyky ottaa vastaan vain tietty määrä energiaa (tietyn suuruinen kvantti). Olen yrittänyt netistä etsiä vastauksia näihin asioihin, mutta jostain syystä tietoa ei löydy, ainakaan suomenkielellä.

[jussi_k_kojootti]

Tuli mieleen näistä viritystiloista, että kuinka esimerkiksi valkoinen valo, joka sisältää paljon eri energiaisia fotoneja, voi virittää  elektronin jolla kuitenkin on kyky ottaa vastaan vain tietty määrä energiaa (tietyn suuruinen kvantti). Olen yrittänyt netistä etsiä vastauksia näihin asioihin, mutta jostain syystä tietoa ei löydy, ainakaan suomenkielellä.

Viritystilojen energiat riippuu monista seikoista, ensisijaisesti kuitenkin siitä minkä alkuaineen eli atomin elektron(e)ista on kysymys.  Eli pelkästään "kemia" tarjoaa jo vinon pinon erilaisia viritystiloja elektroneille.  Mutta myös atomin ympäristö vaikuttaa -- eli se minkälaisia atomeita ympärillä on, tai miten ympärillä olevat atomit ovat järjestyneet (kidehilat; hiili on klassinen prototyyppi, kun tismalleen sama atomikompositio (C:tä kaikki tyni) tuottaa fysikaalisilta ominaisuuksiltaan täysin erilaisia aineita) tai minkälaisessa sähkö- ja/tai magneettikentässä atomi on, tai kytkeytymiset (coupling, laaja ja spektroskopian kautta kokeellisesti merkittävä osa-alue), tai .... ja tietenkin lämpötila (eli kiinteillä aineilla vibraatio).

Usein ympäristön vaikutus elektronien mahdollisiin viritystiloihin on että se mikä yksinäisellä atomilla (H-alpha...) olisi diskreettejä energiatasoja (eli "tietyn suuruisia kvantteja") leviääkin jatkuviksi vöiksi (band), joiden väliin jää toisinaan "kiellettyjä" energia-alueita (gaps, band gaps).  Erityisesti metalleilla noita kiellettyjä alueita ei välttämättä ole, vaan vyöt voivat mennä jopa päällekkäin.  Yhtä kaikki virittävän fotonin ei enää tarvitsekaan olla juuri tietyn värinen, vaan saa olla vähän sateenkaartakin.  Toisissa tilanteissa nämä kaistat eivät ole jatkuvia, vaan diskreetit energiatasot "splittaantuvat" hienorakenteeksi alkuperäisen viritystilaenergian ympärille.

Suomenkielistä tietoutta pitäisi löytyä ainakin yliopistojen luentomateriaaleista.  En tiedä miten niitä on tätä nykyä saatavilla, luulisin kyllä että aika hyvin.  Koetin puhua tässä viestissä oppimillani suomenkielisillä nimityksillä, jotta voisit haeskella lisätietoja, varmaan melkein kaikesta mainitusta löytyy ainakin lyhyitä selostuksia.  Ja kiitos muuten taas kysymyksestäsi, minusta on mukava palautella näitä juttuja mieleen, valitettavasti en tiedä valaiseeko tämä yhtään mitään muualla kuin omassa pääkopassani :-]  Koetan tietenkin olla päästelemättä aivan mahottomia sammakoita, mutta päätäni en kyllä uskalla pistää pantiksi juuri mistään, ja tietyntyyppistä epämääräisyyttä tulee väkisinkin siitä, kun koetan välittää jonkinlaista yleiskuvaa (en kunnolla erottele edes perusolomuotoja).  Eli "toisissa tilanteissa", tai "erityisesti metalleilla .. ei välttämättä .. " -- no en minä ainakaan tiedä tältä istumalta yhtään metallia jonka valenssi- ja johtavuusvyöt ei olisi päällekkäin, mutta varmaan semmoinenkin tapaus löytyy, tai ainakin se voidaan järjestää!

Meniköhän tämä nyt kuitenkin taas off-topicksi -- onko tämä nyt ainakaan hauskaa, vaikka naurettavaa olisikin ....