Механизм выделения тепла в химических реакциях

[computer]

Возник такой вопрос. Допустим, установили мы слева протон, справа электрон, и отпустили. По идее, более легкий электрон (в 1938 раз) начнет быстро падать на тяжелый протон, медленно движущийся навстречу. Пока достигнет минимального энергетического уровня, где ему и положено находиться в атоме. На мой взгляд, возможны такие варианты событий:

1. Быстрый электрон с сильным магнитным полем затормозится, тормозное излучение пойдет дальше влево, в виде фотона. Протон увлечет за собой электрон, и атом водорода потихоньку двинется вправо, по закону сохранения импульса.
2. Электрон достаточно долго (по меркам микромира) будет колебаться туда-сюда, излучая фотоны в разных направлениях, преимущественно вдоль оси колебаний. Фотоны пойдут расталкивать соседние молекулы, атом в итоге останется на месте. Пока его не снесут соседи своим броуновским движением.
3. Тепло выделяется совершенно другим образом, который я не учел. Скажем, чистая математика, не имеющая наглядной интерпретации.

Какой из этих механизмов ближе к действительности?

[Munin]

В действительности в химических реакциях тепло часто выделяется безызлучательно.

[arseniiv]

computer в сообщении #1230367 писал(а):

Пока его не снесут соседи своим броуновским движением.

Тепловое движение отдельных частиц вещества обычно так не зовут. Б. д. — это движение лёгкой, но достаточно большой частицы из-за теплового соседних с ней.

[madschumacher]

computer в сообщении #1230367 писал(а):

1. Быстрый электрон с сильным магнитным полем затормозится, тормозное излучение пойдет дальше влево, в виде фотона. Протон увлечет за собой электрон, и атом водорода потихоньку двинется вправо, по закону сохранения импульса.
2. Электрон достаточно долго (по меркам микромира) будет колебаться туда-сюда, излучая фотоны в разных направлениях, преимущественно вдоль оси колебаний. Фотоны пойдут расталкивать соседние молекулы, атом в итоге останется на месте. Пока его не снесут соседи своим броуновским движением.

В Вашей модели будут много различных процессов (что, кст, обсуждалось в одной недавней теме). По-сути они такие, как Вы тут описали:

1. электрон рассеется жёстко на протоне (т.е. и тот и другой полетят куда летели, но по изменённой "траектории", электрон -- по сильно, а протон -- по слабо).
2. электрон рассеется нежёстко на протоне (т.е. возникнет какое-то излучение), и в зависимости от энергии унесённой этим излучением возможно 2 ситуации:
   
   • суммарная энергия протона и электрона окажется меньше, чем "диссоциационный предел", в результате образуется атом водорода в некотором состоянии (возбуждённом или нет), если в возбуждённом, то он и дальше сможет релаксировать к основному, испуская попутно фотоны с нужной частотой;
     
   • суммарная энергия окажется больше, и протон и электрон опять разлетятся по каким-то "траекториям".

Под "траекториями" имеем в виду, например, эволюцию волновых пакетов (она как раз вполне описывается уравнениями, схожими с классмехом).
Это всё было в случае, когда вокруг никаких других частиц нет, если там появятся новые частицы, то всё станет существенно более сложно.

computer в сообщении #1230367 писал(а):

Какой из этих механизмов ближе к действительности?

В действительности в химических реакциях помимо электронных степеней свободы (т.е. связанных с движениями электронов) очень большую роль играют колебательные степени свободы (т.е. колебания атомов друг относительно друга), вращательные (очевидно, вращение молекул целиком), а также трансляционные (т.е. движения молекул целиком в какие-то стороны). Всё зависит от реакций которые Вы смотрите (если в среде, то там, даже если испускаются фотоны в какой-то момент, они быстро поглощаются средой), также за счёт столкновений будет происходить существенное перераспределение энергии по степеням свободы. Но в конечном итоге, вся энергия будет стремиться перейти в кинетическую энергию движений молекул друг относительно друга.

[Munin]

madschumacher
Вы не обратили внимания. Здесь начальная скорость электрона нулевая, и значит, энергия ниже нуля. Движение в классической задаче будет периодическое - кеплерово. В квантовой - тоже ниже нуля, квазиклассическое, электрон образует волновой пакет, составленный из высоких $n\gg 1$ уровней. В начале эволюция будет похожа на классическую, потом пакет расплывётся.

[madschumacher]

Munin в сообщении #1230441 писал(а):

Вы не обратили внимания. Здесь начальная скорость электрона нулевая, и значит, энергия ниже нуля.

Да, действительно, не обратил.

[computer]

Munin в сообщении #1230370 писал(а):

В действительности в химических реакциях тепло часто выделяется безызлучательно.

Да, на практике в макрообъектах действительно так. Возможно, за счет того, что в реакциях участвуют многие массивные молекулы (как минимум две). Они приближаются, происходит экзотермическая перестройка электронных облаков, и те же самые или чуть другие "осколки" разлетаются со скоростями близкого порядка. А в чистом эксперименте, предложенном мной, получается, что электрон ко времени сближения с протоном соберет на себе кинетическую энергию в 1938 раз большую, при таком же импульсе. И кроме как в излучение, деваться ей некуда. Полученный атом водорода как максимум отлетит в сторону с небольшой энергией. Не могу найти данных, ставил ли кто-то подобные эксперименты.

-- Чт июн 29, 2017 14:57:29 --

madschumacher в сообщении #1230403 писал(а):

электрон рассеется нежёстко на протоне (т.е. возникнет какое-то излучение)

даже если испускаются фотоны в какой-то момент, они быстро поглощаются средой

Собственно, это и хотелось подтвердить. Получается, энергетический результат химических реакций - изначально именно излучение. Потом уже фотоны поглощаются, и среда приходит в некоторое кинетическое равновесие, когда частицы сталкиваются. При большом количестве "участников" и разных начальных скоростях возможны варианты.

-- Чт июн 29, 2017 15:00:53 --

Но остается непонятным характер излучения - склонен при реакциях выделяться один фотон (или 2-3), в определенном направлении, или же процесс довольно хаотический?

[madschumacher]

computer в сообщении #1230457 писал(а):

Получается, энергетический результат химических реакций - изначально именно излучение.

Нет, конечно нет! Во время столкновений молекулы образуют одну большую молекулу (димер, например, или просто слабосвязанный ассоциат), и там уже есть возможность переноса всего чего только захочется (от энергии между степенями свободы, до кусков молекул от одной к другой).
Вклад фотонов будет большой там, где нельзя без них обойтись -- в сильно разреженных средах (считайте в вакууме), где время жизни возбуждённых состояний существенно меньше, чем период столкновений.

computer в сообщении #1230457 писал(а):

Но остается непонятным характер излучения - склонен при реакциях выделяться один фотон (или 2-3), в определенном направлении, или же процесс довольно хаотический?

Вообще, зависит от интенсивности излучения. В слабых полях однофотонные процессы являются доминирующими (потом двухфотонные и т.д.). В сильных же полях такая трешня творится, что Вам тут лучше кто-нть другой об этом расскажет.

[Munin]

computer в сообщении #1230457 писал(а):

Да, на практике в макрообъектах действительно так.

При чём тут макрообъекты? Дел в другом: обычная химия изучает химические реакции в среде при комнатной температуре и атмосферном давлении. А то, что вы описываете, реализуемо только в глубоком космическом вакууме, типа межзвёздной среды. Там действительно возникают атомы в возбуждённом состоянии, не релаксирующие никак, кроме как через излучение.

computer в сообщении #1230457 писал(а):

А в чистом эксперименте, предложенном мной, получается, что электрон ко времени сближения с протоном соберет на себе кинетическую энергию в 1938 раз большую, при таком же импульсе. И кроме как в излучение, деваться ей некуда.

Ну, соберёт. А потом потратит. А потом снова соберёт. И так и будет колебаться.

В излучение он будет эту энергию тратить не сразу, а за много таких колебаний.

И в среде, такой атом скорее столкнётся с соседними атомами, чем излучит.

Правда, столкновение с соседними атомами скорее приведёт к ионизации этого "монстрика", чем к релаксации.

computer в сообщении #1230457 писал(а):

Не могу найти данных, ставил ли кто-то подобные эксперименты.

А как вы себе представляете их постановку?
У вас какие-нибудь представления есть о том, что в лаборатории реалистично сделать, а что нет?

computer в сообщении #1230457 писал(а):

Получается, энергетический результат химических реакций - изначально именно излучение.

Нет.

Так и надо было спрашивать сразу. А вы поступили иначе: переформулировали свой вопрос в другой, задали другой вопрос, и из него делаете вывод о первоначальном вопросе. Причём ошибаетесь трижды, на каждом из этих шагов.

[computer]

madschumacher в сообщении #1230469 писал(а):

Во время столкновений молекулы образуют одну большую молекулу (димер, например, или просто слабосвязанный ассоциат), и там уже есть возможность переноса всего чего только захочется (от энергии между степенями свободы, до кусков молекул от одной к другой).
Вклад фотонов будет большой там, где нельзя без них обойтись -- в сильно разреженных средах (считайте в вакууме), где время жизни возбуждённых состояний существенно меньше, чем период столкновений.

Это смотря что считать фотоном. В молекулах тоже расходятся какие-то электромагнитные волны, хотя не успевают оформиться в нечто корпускулярное, или энергии не хватает.

madschumacher в сообщении #1230469 писал(а):

В слабых полях однофотонные процессы являются доминирующими (потом двухфотонные и т.д.).

Спасибо за экспертное мнение. В химии понятно, что поля слабые, излучение не рентгеновское. В лучшем случае ультрафиолетовое.

[Munin]

computer в сообщении #1230599 писал(а):

Это смотря что считать фотоном.

Тут никакого места для разночтений нет. Понятие фотона совершенно строго вводится в квантовой электродинамике, в результате процедуры квантования электромагнитного поля. Ничего другого фотоном считать нельзя.

Встречаются лженаучные попытки назвать "фотоном" что-то другое, и на основании этого накрутить бреда. Разумеется, их считать нельзя.

[computer]

Munin в сообщении #1230472 писал(а):

реализуемо только в глубоком космическом вакууме, типа межзвёздной среды. Там действительно возникают атомы в возбуждённом состоянии, не релаксирующие никак, кроме как через излучение.

Можно сказать, природа уже поставила эксперимент в космосе. Спасибо за ценную информацию. В традиционной лаборатории мало что реализуемо, но разные Илоны Маски многое могут наворотить со своими миллиардными бюджетами. В общедоступный интернет попадает мало что из закрытых научных публикаций.

Munin в сообщении #1230472 писал(а):

В излучение он будет эту энергию тратить не сразу, а за много таких колебаний.

madschumacher утверждает обратное - "в слабых полях преобладают однофотонные процессы".

-- Пт июн 30, 2017 00:17:52 --

Munin в сообщении #1230600 писал(а):

Понятие фотона совершенно строго вводится в квантовой электродинамике, в результате процедуры квантования электромагнитного поля. Ничего другого фотоном считать нельзя.

Трудно вникать в квантоводинамические операторы. Извините, не справляюсь. Если я правильно понял, фотон не обязан иметь маленький "центр", где сосредоточена почти вся масса-энергия. Может быть и очень пространной волной, даже сферической?

[Munin]

computer в сообщении #1230603 писал(а):

Можно сказать, природа уже поставила эксперимент в космосе. Спасибо за ценную информацию.

См. по ключевому слову ридберговские атомы.

computer в сообщении #1230603 писал(а):

madschumacher утверждает обратное - "в слабых полях преобладают однофотонные процессы".

Это не обратное. Многофотонный процесс - это когда излучается много фотонов сразу. А то, что я описал - это много однофотонных процессов.

computer в сообщении #1230603 писал(а):

Трудно вникать в квантоводинамические операторы.

Для этого необходима подготовка по математике и физике примерно на уровне 3-4 курса физического вуза. Вряд ли это можно взять наскоком.

Единственное, что я могу порекомендовать для начинающих - популярную книгу
Фейнман. КЭД: странная теория света и вещества.

computer в сообщении #1230603 писал(а):

Если я правильно понял, фотон не обязан иметь маленький "центр", где сосредоточена почти вся масса-энергия. Может быть и очень пространной волной, даже сферической?

Да.