Man kann einem Atom auf verschiedene Weise Energie zuführen. Man kann es z.B. beschleunigen. Dann steigt seine kinetische Energie. Ganz gleich, welche Energie man zur Verfügung hat, das Atom wird beschleunigt. Man kann aber auch seine innere Energie steigern, indem man das Atom "anregt". Am klarsten sind die Vorgänge, wenn man dem Atom Energie in Form eines Photons mit der wohldefinierten Energie E = h.f anbietet. Grob gesagt, kann dann zweierlei passieren:

• Wenn die Photonenenergie gerade den richtigen Wert hat, mit dem das Atom von seiner augenblicklichen Energiestufe in eine höhere erlaubte, noch nicht besetzte Stufe gelangen kann, dann wird das Photon absorbiert, hebt das Atom auf die höhere Energiestufe und ist damit verschwunden. Die Photonenenergie entspricht dann genau der Energiedifferenz zwischen den beteiligten Energiestufen des Atoms (Anregung durch Licht; Photonenabsorption).
• Wenn die Photonenenergie aber einen anderen Wert hat, also der nicht der Energiedifferenz zweier Energiestufen entspricht, oder wenn der Ausgangszustand nicht besetzt ist, oder wenn der Endzustand zwar den richtigen Abstand zum Ausgangszustand hat, aber bereits besetzt ist, dann kann gar nichts passieren: das Photon passiert das Atom ungehindert.

  Es gibt allerdings einen Ausnahmefall, der in den letzten Jahrzehnten große Bedeutung erlangt hat: Wenn die Photonenenergie nur geringfügig unterhalb der benötigten Energiedifferenz liegt, kann sich das Atom den fehlenden Energiebetrag aus seiner kinetischen Energie holen. Dann wird das Atom gleichzeitig angeregt und gebremst. Diesen Mechanismus nutzt man bei der "Laserkühlung" aus: Atome oder Ionen werden durch Laseranregung soweit gebremst, dass ihre (mittlere) kinetische Energie der thermischen Energie k.T entspricht, wobei T in der Größenordnung von 10^-3 K ist. Diese Technik war eine der Voraussetzungen um einzelne Ionen und Atome in einer "Falle" festzuhalten um dann mit ihnen experimentieren zu können.

Eine andere Möglichkeit der Anregung besteht darin, andere, materielle Teilchen gegen das Atom prallen zu lassen. Dann kann das Geschossteilchen ähnlich wie ein Photon das Atom anregen (Stoßanregung). Es gibt dann seine kinetische Energie ganz oder auch teilweise ab. Der Energieverlust entspricht wieder genau der Energiedifferenz zwischen einem besetzten Zustand und einem noch unbesetzten erlaubten Zustand, wie beim Photon, aber die Restenergie teilen sich Geschossteilchen und Atom als kinetische Energie. Es handelt sich ganz offenbar um einen inelastischen Stoß. Hier muss man also die Geschossenergie nicht so genau auf die Energiedifferenz einstellen.

Wenn ein Atom angeregt wurde, wird es nach einer gewissen Zeit die zugeführte Energie wieder verlieren durch Abgabe von - in der Regel - einem Photon, um dann in den energieärmeren Zustand (in der Regel den Grundzustand) zurückzukehren (Lichtemission).

Nach welcher Zeit - größenordnungsmäßig - geschieht diese Photon-Emission? Geschieht sie jeweils nach der gleichen Zeit?

Grob kann man sagen, dass dies unterschiedlich ist je nach Atomsorte, und in der Regel ist sie auch bei jedem einzelnen Atom anders. Typisch sind 10^-8 s, aber es gibt auch "schnellere Übergänge" und in seltener Fällen auch viel "langsamere", wo es Sekunden dauern kann, bis ein Photon emittiert wird. Diese Zeit hängt auch von der Umgebung des Atoms ab. Bringt man das Atom in einen "Hohlraumresonator", so kann es - je nach dessen Abmessungen - sogar viel länger oder auch kürzer dauern, bis das Atom seine Überschussenergie wieder abgegeben hat. Aber selbst bei gleichen Umständen (gleiches Atom, gleiche Umgebung, gleicher Hohlraumresonator) erfolgt die Emission des Photons innerhalb des angegebenen Zeitrahmens ganz unregelmäßig und in nicht vorhersagbaren Zeitabständen, dem objektiven Zufall unterworfen. Das soll jetzt untersucht werden.

Man experimentiert mit einem einzigen Atom. Das geht? Ja, seit wenigen Jahrzehnten kann man einzelne Ionen und Atome isolieren und in einer so genannten Falle (z.B. Paul-Falle nach ihrem durch einen Nobelpreis 1989 geehrten Erfinder) festhalten. Und das Überraschende ist, dass man beim folgenden Experiment die abgegebene Strahlung von diesem einen Atom oder Ion sogar mit freiem Auge sehen kann!

Das Atom besitze also die zwei Zustände 0 und 2 mit den Energien E₀ und E₂. 0 sei der Grundzustand. Durch einen Laser L₂, dessen Photonen gerade die Energie haben, die der Differenz zwischen E₂ und E₀ entspricht, soll das Atom aus dem Grundzustand mit E₀ in den höheren (anregten) Zustand mit E₂ angeregt werden. Nach der Anregung wird das Atom die überschüssige Energie wieder in Form eines Photons abgeben. Es wird in irgendeine Richtung abgestrahlt. Wenn dort gerade der Photonendetektor steht, kann man die Photonenemission nachweisen und auch ihren Zeitpunkt messen. I.A. wird das aber nicht gelingen, besonders dann nicht, wenn die "mittlere Lebensdauer" des Atoms im angeregten Zustand sehr groß ist; dann erfolgt die Photonen-Emission in sehr großen Zeitabständen und wird in der Regel übersehen, weil der Detektor gerade an der falschen Stelle stand. Und bei einer typischen Zeit von 10^-8 s muss man schon eine sehr schnelle Messapparatur zur Verfügung haben. Auswege:

• Man wählt für das höhere Energieniveau E₂ eines mit sehr langer Lebensdauer, ein sog. metastabiles Niveau. Dann kommt man evtl. mit nicht ganz so schneller Nachweis-Elektronik aus. Dann kann man trotzdem den Zeitverlauf der Emission besser verfolgen.
• Man weist das emittierte Photon indirekt nach. Dann braucht man nicht alle Abstrahlrichtungen überwachen und befürchten, dass man eines der evtl. seltenen Ereignisse verpasst.
• Man kühlt das Atom (in Realität ein ultrakaltes Ion) so weit ab, dass es sich kaum mehr bewegt. Tatsächlich fängt man ein einziges Ion in einer Ionenfalle ein und hält es dort buchstäblich fest. Stöße von anderen Atomen ("Stoßverbreiterung") sind dann ausgeschlossen und auch eine "Dopplerverbreiterung" der ausgesandten Spektrallinien infolge der atomaren Bewegung. Man baut das Atom (in Realität ein ultrakaltes Ion) in einen Hohlraumresonator ein, der so konstruiert ist, dass die Lebensdauer des Atoms in der  angeregten Energiestufe noch vergrößert ist. Die Lebensdauer des Atoms in dem angeregten Zustand hängt dann allein noch vom Atom (und vom Hohlraum-Resonator) ab.

Der indirekte Nachweis der Photonenabgabe geschieht nach einem Experiment einer Forschergruppe in Konstanz (Dehmelt et al.) folgendermaßen: Es wird ein drittes Energieniveau verwendet mit der Energie E₁, die oberhalb von E₂ liegt. Bereits nach sehr kurzer Zeit (typisch 10^-8 s) gibt das Ion diese Energie wieder ab, wenn es zuvor angeregt wurde. Dazu wird ein zweiter Laser L1 verwendet, der Photonen mit einer Energie einstrahlt, die genau der Energiedifferenz E₁- E₀ entspricht. Weil es sich um schnelle Übergänge handelt, nimmt das Ion in der Falle die Laser-Energie auf und strahlt sie quasi sofort wieder ab in Form von Fluoreszenz-Licht. Das wiederholt sich umso schneller, je mehr Photonen der Laser L1 herbeischafft. Wenn man einen starken Laser verwendet, der in der Zeiteinheit sehr viele passende Photonen ausstrahlt, sieht man das eine Ion mit freiem Auge gleichmäßig leuchten als Folge der vielen kurzzeitigen Anregungen und Photonen-Abstrahlungen.

Aber nicht immer: In seltenen Fällen kommt es vor, dass auch der erste Laser L2, zuständig für die Anregung des Atoms vom Grundzustand in den metastabilen Zustand E2, das Atom anregen kann. Dann befindet es sich also im langlebigen Zustand E2, und steht für Anregungen aus dem Grundzustand in das Niveau E1 nicht zur Verfügung: die Fluoreszenzstrahlung vom Übergang E1 nach E0 erlischt plötzlich, bis nach einiger Zeit (es wurden sogar schon typische Zeiten von 30 s gemessen) das Atom aus dem metastabilen Zustand in den Grundzustand übergeht und für weitere Anregungen durch den zweiten Laser aus dem Grundzustand in den angeregten Zustand E1  zur Verfügung steht, von wo aus es - sogar gefördert durch das Laserlicht L1 - wieder in den Grundzustand übergeht, wobei die Fluoreszenzstrahlung freigesetzt wird. Den Zeitverlauf zeigt schematisch die Graphik.

Bemerkenswert ist Folgendes:

• Obwohl nur ein einziges Ion in einer Falle beobachtet wird, kann man das intermittierende Fluoreszenzlicht mit freiem Auge beobachten oder mit einer Videokamera registrieren.
• Das Aussetzen der Fluoreszenzstrahlung (also die Anregung in den metastabilen Zustand E₂) und ihr Wiedereinsetzen (also der Übergang vom metastabilen Zustand E₂ in den Grundzustand E₀) erfolgen ganz unregelmäßig zu ganz unterschiedlichen Zeiten, zu nicht vorhersagbaren Zeitpunkten, aber auch nicht "gesetzlos".
• Trägt man nämlich die Häufigkeiten der Übergänge in Abhängigkeit von der Zeit zwischen Anregung und Emission auf (versuchsweise Lebensdauer der bestimmten Anregung), findet man eine exponentielle Gesetzmäßigkeit: Je größer die Zeit, umso weniger häufig wird ein Photon ausgesandt. Die meisten Photonen werden schon nach kurzer Zeit ausgesandt. Die exponentielle Gesetzmäßigkeit definiert eine mittlere Lebensdauer.
• Bemerkenswerterweise ist diese in der Größenordnung von Sekunden oder einige Zehn Sekunden!
• Exponentielle Gesetzmäßigkeiten sind typisch für objektiv zufällige Vorgänge. Ein Zerfall findet dann unabhängig davon statt, wieviele Zerfälle schon vorher statt gefunden haben. ("Atome haben keine Geschichte" oder "jeder Anregungszustand stirbt für sich allein").
• Die plötzlichen Übergänge heißen auch "Quantensprünge", weil man sich vorstellt, dass schlagartig das Atom von einem Energiezustand E₂ in einen Energiezustand E₀ "springt" (im übertragenen Sinn).

Bei anderen, "normalen" atomaren Übergängen sind die Verhältnisse ganz ähnlich; sie laufen nur insgesamt in der Regel schneller ab und sind, u.a. auch deshalb, nicht so leicht zu beobachten:

Die Lichtemission durch angeregte Atome ist ein objektiv zufälliger Vorgang.

Bei ihm kann prinzipiell nicht erklärt werden, warum ein Atom schon nach 10^-8 s ein Photon abgibt und das gleiche oder ein identisches ein andermal erst nach 40 s. Wir haben ja auch klassisch argumentiert und uns vorgestellt, dass das Atom wie ein makroskopisches Gebilde zu irgendeinem festen Zeitpunkt ein Photon abstrahlt.

Genauso ist die Lichtabsorption durch Atome, auch beim Photoeffekt in einer Photokathode etwa, ein objektiv zufälliger Vorgang. Es lässt sich nicht vorhersagen (objektive Un-be-stimmtheit), wann ein Photon absorbiert wird und beim Photoeffekt ein Photoelektron auslöst. (Vgl. Linienbreite)

(aktualisiert 2012)