La emisión y absorción de fotones aborda cómo los átomos interactúan con la energía, principios cuánticos fundamentales y sus aplicaciones prácticas.
Emisión y Absorción de Fotones: Principios Cuánticos, Interacción y Energía
La emisión y absorción de fotones son dos procesos fundamentales en la física cuántica que explican cómo la materia interactúa con la luz. Para entender estos conceptos, es esencial familiarizarse con algunas de las bases de la teoría cuántica y las ecuaciones que gobiernan estas interacciones.
Principios Cuánticos
La teoría cuántica describe la naturaleza y el comportamiento de las partículas subatómicas. Uno de los conceptos más importantes en esta teoría es el de “fotón”, que es la partícula elemental de la luz. Los fotones son portadores de la energía electromagnética y su comportamiento está descrito por la ecuación de Planck:
$$ E = h \cdot \nu $$
donde \( E \) es la energía del fotón, \( h \) es la constante de Planck (6.626 \times 10^{-34} \, \text{Js}) y \( \nu \) es la frecuencia de la luz.
Emisión de Fotones
La emisión de fotones ocurre cuando una partícula, generalmente un electrón en un átomo, transita de un estado de mayor energía a uno de menor energía. Este cambio de estado libera energía en forma de un fotón. La cantidad de energía liberada es igual a la diferencia entre los dos estados de energía, descrita por la ecuación:
$$ E = E_{i} – E_{f} $$
donde \( E_{i} \) es la energía inicial y \( E_{f} \) es la energía final. Este proceso es conocido como emisión espontánea cuando ocurre sin ninguna influencia externa, y como emisión estimulada cuando es inducido por un fotón externo.
Absorción de Fotones
En el proceso de absorción, un fotón interactúa con una partícula y es absorbido, elevando así a la partícula a un estado de mayor energía. La energía del fotón absorbido debe corresponder exactamente a la diferencia energética entre el estado inicial y el estado final de la partícula:
$$ E_{fotón} = E_{f} – E_{i} $$
Si la energía del fotón no coincide con la diferencia de energía entre los estados atómicos, el fotón no será absorbido, y por lo tanto, el sistema no experimentará ningún cambio en su estado energético.
Interacción entre Fotones y Átomos
El proceso de interacción entre fotones y átomos se describe comúnmente mediante diagramas de nivel de energía y utilizando el formalismo de mecánica cuántica. Los tres procesos básicos que describen estas interacciones son:
- Emisión espontánea
- Emisión estimulada
- Absorción
Un diagrama de nivel de energía puede ilustrar estos conceptos, donde los niveles de energía se representan como líneas horizontales y las transiciones entre estos niveles se muestran con flechas. Cada transición está asociada con la emisión o absorción de un fotón específico.
Ejemplo: Átomo de Hidrógeno
Para entender mejor estos procesos, consideremos el átomo de hidrógeno, que tiene un solo electrón. Los niveles de energía del átomo de hidrógeno están dados por la ecuación de Bohr:
$$ E_{n} = – \frac{13.6 \, \text{eV}}{n^{2}} $$
donde \( n \) es el número cuántico principal. Cuando un electrón en un átomo de hidrógeno transita del primer nivel de energía (\( n = 2 \)) al nivel más bajo (\( n = 1 \)), la energía del fotón emitido es:
$$ E = E_{2} – E_{1} = – \frac{13.6 \, \text{eV}}{2^{2}} – \left(- \frac{13.6 \, \text{eV}}{1^{2}}\right) = 10.2 \, \text{eV} $$
Este fotón tiene una longitud de onda específica que puede calcularse utilizando la relación entre la energía y la longitud de onda de un fotón:
$$ \lambda = \frac{c}{\nu} = \frac{hc}{E} $$
donde \( \lambda \) es la longitud de onda, \( c \) es la velocidad de la luz (3 \times 10^{8} \, \text{m/s}) y \( E \) es la energía del fotón.
Al aplicar estas ecuaciones, podemos obtener la longitud de onda del fotón emitido, lo que proporciona información sobre las propiedades espectrales del átomo de hidrógeno.
Ley de Kirchhoff
Es importante mencionar la ley de Kirchhoff que describe la relación entre emisión y absorción en sistemas físicos. Según esta ley, en equilibrio termodinámico, la cantidad de energía emitida por un objeto a una cierta longitud de onda es igual a la cantidad absorbida. Esto se puede expresar como:
$$ \frac{I_{emisión}}{I_{absorción}} = 1 $$
Entender la ley de Kirchhoff ayuda a explicar por qué ciertos materiales aparecen de determinados colores y cómo interactúan con las diferentes longitudes de onda de la luz.