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Lehrling
Anmeldungsdatum: 01.05.2004
Beiträge: 17
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 Lehrling Verfasst am: 05. März 2008 17:32 Titel: Über induzierte Emission, Energieniveaus und Photonen |
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Schönen guten Tag miteinander,
ich habe momentan das Vergnügen, mich mit Laserschweißen auseinandersetzen zu dürfen und habe dazu einige Fragen.
Ist das erste mal, dass ich mit dem Thema Quantenphysik und Atom- und Kernphysik in Berührung komme. Ich entschuldige mich also schon einmal im Voraus für meine eventuellen ungenauen und laienhaften Formulierungen.
1) Der Laser, den ich mir anschaue, ist der CO2-Laser. Bei diesem besteht das Laseraktive Medium aus Helium, Stickstoff und eben Kohlendioxid. Der Anregungsmechanismus läuft folgendermaßen ab:
Durch hohen Gleichstrom oder hochfrequenten Wechselstrom kommt es innerhalb des Gasgemisches zur Gasentladung. Die dadurch frei werdenden Elektronen Stoßen an die Stickstoff-Moleküle, geben einen Teil ihrer Energie an diese weiter und regen diese dadurch an. Dadurch beginnen die Stickstoff-Moleküle zu schwingen und stoßen ihrerseits gegen die CO2-Moleküle und befördern diese dadurch in ein höheres Energieniveau.
Meine Frage: Werden nicht auch die He-Atome und CO2-Moleküle durch den Elektronenfluss an sich schon in höhere Energieniveaus befördert?
2) Für das anregen von Atomen werden immer wieder zwei Mechanismen genannt. Einmal das über Stöße funktionierende (wie oben beschrieben) und dann über die Absorption elektromagnetischer Strahlung, also Photonen.
Meine Frage: Wie kann man die Photonenanzahl bei der zweiten Methode erhöhen? Um ein Atom anzuregen, muss ich ja ein Photon "opfern" und bekomme auch nur eines wieder heraus. Ergo keine Erhöhung der Anzahl von Photonen.
3) Beruhen die unterschiedlichen Energieniveaus von Atomen auf potentieller Energie?
Ausgehend von dem Schalenmodell, ist eine Schale die weiter vom Atomkern entfernt ist ja "höher" gelegen als eine Kernnahe.
4) Wie kann ein Photon, ein Teilchen, eine Frequenz haben. Ich denke, dass hat was mit dem Welle-Teilchen-Dualismus zu tun, allerdings konnte ich mir das bisher noch nicht wirklich gut erklären.
Ich hoffe, ich habe niemanden durch den langen Text abgeschreckt. Schon einmal danke im Voraus.
Viele Grüße,
Lehrling |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 05. März 2008 20:47 Titel: Re: Über induzierte Emission, Energieniveaus und Photonen |
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| Lehrling hat Folgendes geschrieben: |
Meine Frage: Werden nicht auch die He-Atome und CO2-Moleküle durch den Elektronenfluss an sich schon in höhere Energieniveaus befördert?
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Heliumatome sind ja einzelne Atome und keine Moleküle, also kann man sie nicht zu Molekülschwingungen anregen, bei denen ein Atom eines Moleküls gegen ein anderes Atom desselben Moleküls schwingt.
Ich würde also sagen, wenn so ein Elektron mit der hier typischen Energie auf ein Heliumatom trifft, dann kickt es das Heliumatom ein bisschen durch die Gegend, nichts weiter.
Die Methode, Moleküle mit Elektronen zu bombardieren und so zum Schwingen anzuregen, funktioniert bei Stickstoffmolekülen viel besser als bei  -Molekülen. Das hat man experimentell ausprobiert. (Es ist viel wahrscheinlicher, dass es ein Elektron schafft, das zweiatomige Stickstoffmolekül so zu treffen, dass es zu schwingen beginnt, als dass es durch einen Stoß das dreiatomige -Molekül zum Schwingen anregt. Woran das genau liegt, also zum Beispiel an der Anzahl Atome im Molekül und / oder an der Verteilung der Elektronenhülle im jeweiligen Moleküls, etc., weiß ich gerade noch nicht so genau.)
Ich würde also vermuten, dass es nicht auszuschließen ist, dass auch mal ein Elektron durch Stoß ein -Molekül zum Schwingen anregt, aber dass das viel zu selten vorkommt, um damit einen vernünftigen Anregungsmechanismus aufzubauen.
| Zitat: |
Meine Frage: Wie kann man die Photonenanzahl bei der zweiten Methode erhöhen? Um ein Atom anzuregen, muss ich ja ein Photon "opfern" und bekomme auch nur eines wieder heraus. Ergo keine Erhöhung der Anzahl von Photonen.
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Bei dieser zweiten Anregungsmethode, also der optischen Anregung, steckt man in der Tat mehr Lichtenergie hinein als man herausbekommt. Das macht man, und das lohnt sich, weil das Licht, das man herausbekommt, die Vorzüge von Laserlicht hat, also zum Beispiel, dass es viel stärker gerichtet ist und eine viel höhere Intensität erreichen kann als Licht aus normalen Lichtquellen.
| Zitat: |
3) Beruhen die unterschiedlichen Energieniveaus von Atomen auf potentieller Energie?
Ausgehend von dem Schalenmodell, ist eine Schale die weiter vom Atomkern entfernt ist ja "höher" gelegen als eine Kernnahe.
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Ja  Konkret gesagt ist das die potentielle Energie des negativ geladenen Elektrons im elektrischen Feld des positiv geladenen Atomkernes. Also die potentielle Energie im Coulombpotential des Atomkernes.
Die unterschiedlichen Energieniveaus, die beim -Laser vorkommen, sind allerdings keine solchen angeregten Elektronenzustände, die sich dadurch unterscheiden, dass Elektronen in verschiedenen solchen "Schalen" sitzen. Sondern Schwingungszustände von Molekülen, bei denen die Atome der Moleküle mehr oder weniger stark relativ zueinander schwingen.
| Zitat: |
4) Wie kann ein Photon, ein Teilchen, eine Frequenz haben. Ich denke, dass hat was mit dem Welle-Teilchen-Dualismus zu tun
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Einverstanden, das ist genau der Welle-Teilchen-Dualismus. Jede Welle besteht aus Teilchen, und jedes Teilchen ist eine Welle; Welle und Teilchen sind in der Quantenmechanik, also in der Welt des sehr Kleinen, einfach nur zwei Aspekte ein- und derselben Sache.
Vielleicht hilft es dir, dich mit diesem Gedanken anzufreunden, wenn du ihn in ein bisschen konkreterer Form kennenlernst: Wie Louis de Broglie herausgefunden hat, ist jedes Teilchen mit Impuls  gleichzeitig eine Welle mit der Wellenlänge
also mit der sogenannten de-Broglie-Wellenlänge  , die gleich dem Planckschen Wirkungsquantum  geteilt durch den Impuls des Teilchens ist. Schnellere Teilchen und Teilchen mit größerer Masse sind also Wellen mit kürzerer Wellenlänge und mit höherer Frequenz. |
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