Nota sobre fotomes y electrones

[Entro]

Creo que se hace necesaria una clarificación de algunos conceptos, que evidentemente son conocidos por la mayoría, pero que he denotado que algunos miembros no los conocen o no los han entendido en su verdadero significado.


Comportamiento de un electron en un átomo

Un electrón está sometido a un potencial de Coulomb del nucleo. Si resolvemos la ecuación de Schrodinger asociada encontraremos que el electrón solo puede tener unos determinados valores de energía. (Este es un efecto de estar sometido a un potencial atractivo).

Es decir, eso son los NIVELES DE ENERGIA tan famosos en cuántica. Por tanto, en las distintas interacciones de los electrónes con fotones el electrón solo puede pasar de uno de estos niveles a otro. Da un salto en energía conocido que es la variación entre los mencionados niveles.

Ahora bien, supongamos que en unas ciertas unidades, el electrón está en el nivel de energía 3 y el próximo nivel tiene energía 7. Pues bien, para saltar al nivel siete el electrón interaccionará con un foton de energía 4. NO SALTARA EN NINGUN OTRO CASO, solo cuando llegue un foton de energía 4 el electron saltará. (No vale que llegen 4 fotones de energía 1 ni ninguna otra posibilidad.)

Analogamente el electron puede bajar del nivel 7 al nivel 3, emitiendo un foton justamente de energía 4.

Por esto mismo, como la energía del fotón simplemente está dada por su frecuencia, esto nos dice que la unica información del fotón relevante para entender como interaccionan con los electrones es su frecuencia.

Todo lo descrito arriba es debido a la cuantización de la energía que puede tener un electrón en un átomo.


Respuesta de un electrón ante un fotón


Si tenemos un electrón en un determinado nivel, y se encuentra con un fotón pueden pasar varias situaciones:

a) El fotón no tiene la energía justa para hacer que el electrón salte a ningún otro nivel, así pues sufrirá a lo sumo una dispersión.

b) El fotón tiene la energía justa para producir un salto de nivel. El fotón se aniquila y el electrón pasa a un estado excitado. El electrón por lo tanto está en otro nivel de energía superior, justo el incremento producido por la energía del fotón. El electrón por lo tanto, pasará espontáneamente a un nivel inferior, emitiendo el fotón de energía tal que coincida con la diferencia entre el nivel superior y el nivel inferior al que pasa el electrón.

Una nota importante es que estos saltos son en energías, en ningún momento hablamos de cambios en las distancias electrón nucleo. En cualquier nivel de energía tenemos probabilidad de encontrar al electrón a cualquier distancia. Lo que cambia en los saltos no es la posición, que no está definida, sino el nivel energético al que pertenece el electrón.

Esto se ve claro al resolver la ecuación de Schrodinger para el átomo de hidrógeno y ver como en dicha ecuación los números cuánticos (n,l,m,s) no hacen ninguna referencia a la posición del electrón.

La cuestión central es ¿Cuándo se emite dicho fotón? la respuesta no es trivial, ya que dicha emisión. El paso del electrón de un nivel superior a un nivel inferior. No está determinada en absoluto, lo que si conocemos es que debe ser consistente con el principio de Indeterminación aplicado a la energía y el tiempo. Lo que nos da unas cotas asociadas, que ya se han comentado en este hilo.

c) Llega un fotón con una energía justa para producir un salto y se encuentra con un electrón que ya está excitado produciendole que baje de nivel y tengamos dos fotones netos en el proceso. Este es el fundamento del LASER.

Para estudiar esto hay que introducir la descripción de Einstein de excitación inducida, desexcitación espontánea y desexcitación inducida.


Otra cuestión es, si un sistema de átomos esta bañado por luz, los propios electrones estarán continuamente saltando de un nivel inferior a otro superior y a su vez desexcitandose por la propia acción de los fotones incidentes.

Espero que estas líneas sirvan para centrar las ideas, y aunque estoy seguro de que tienen fallos evidentes, al menos la intención es de que se hable en términos establecidos y bajo teorías comprobadas experimentalmente hasta la saciedad.

Saludos

[HEAVYMETAL]

...MUY, muy, muy muy pero que MUY interesante. GRACIAS¡¡¡

SALUDOS Y BUENOS CIELOS¡¡¡

[Guest]

Entro, dice: [b) "El fotón tiene la energía justa para producir un salto de nivel. El fotón se aniquila y el electrón pasa a un estado excitado. El electrón por lo tanto está en otro nivel de energía superior, justo el incremento producido por la energía del fotón. El electrón por lo tanto, pasará espontáneamente a un nivel inferior, emitiendo el fotón de energía tal que coincida con la diferencia entre el nivel superior y el nivel inferior al que pasa el electrón."

Aquí, me preguntaba
¿porqué no emite el fotón en cualquier momento, o incluso porqué precisamente lo emite cuando ya dispone del nivel energético que le es permitido?.

Pero veo que a continuación das ya una respuesta, y es que todavía no se tiene certidumbre.

"La cuestión central es ¿Cuándo se emite dicho fotón? la respuesta no es trivial, ya que dicha emisión. El paso del electrón de un nivel superior a un nivel inferior. No está determinada en absoluto, lo que si conocemos es que debe ser consistente con el principio de Indeterminación aplicado a la energía y el tiempo. Lo que nos da unas cotas asociadas, que ya se han comentado en este hilo.

c) Llega un fotón con una energía justa para producir un salto y se encuentra con un electrón que ya está excitado produciendole que baje de nivel y tengamos dos fotones netos en el proceso. Este es el fundamento del LASER. "

Esto ya lo veo más difícil todavía.

"Para estudiar esto hay que introducir la descripción de Einstein de excitación inducida, desexcitación expontánea y desexcitación inducida."

No dudo que el estudio que me falta, puede ayudar a comprender, pero a esta altura, permítenos que te llamemos "El profesor", pues patentizas tus dotes docentes.

Agradezco tu altruista servitud, complaciente con nuestras solicitudes y deseo que continues permitiéndonos el abuse de ella.

Saludos del Abuelo.

[Entro]

Aquí, me preguntaba
¿porqué no emite el fotón en cualquier momento, o incluso porqué precisamente lo emite cuando ya dispone del nivel energético que le es permitido?.

Pero veo que a continuación das ya una respuesta, y es que todavía no se tiene certidumbre.

"La cuestión central es ¿Cuándo se emite dicho fotón? la respuesta no es trivial, ya que dicha emisión. El paso del electrón de un nivel superior a un nivel inferior. No está determinada en absoluto, lo que si conocemos es que debe ser consistente con el principio de Indeterminación aplicado a la energía y el tiempo. Lo que nos da unas cotas asociadas, que ya se han comentado en este hilo.

Me gustaría puntualizar esto, no es que todavía no tengamos certidumbre, es que el principio de Indeterminación hace que el momento justo del salto esté indeterminado completamente. Es decir, no tiene sentido preguntarse por él.

Esto es debido a que si conocemos exactamente la energía a la que está el electrón no podemos saber el tiempo que lleva o que va a pasar en dicha energía. Esto no es una limitación de la teoría es una expresión de la naturaleza cuántica a través del principio de Indeterminación.

Lo que si podemos calcular es en que promedio una muestra atómica, que ha sido excitada justo para que sus electrones pasen del nivel 0 de energía al nivel 3, se desexcitarán de forma que si miramos la luz que emiten, o el conjunto de fotones, nos dará una luz de un determinado color. Justo esto es lo que hace que tenga sentido hablar de los espectros atómicos.

Como todos hemos escuchado podemos decir que elemento químico tenemos en una muestra a través de su espectro, el conjunto de líneas de luz nos indica los distintos saltos electronicos permitidos, un salto una frecuencia, una frecuencia un color. Por esto podemos decir de que están compuestas las estrellas sin ir allí a mirar. Solo nos basta recoger su luz y mirar su espectro.

Evidentemente los niveles de energía dependen del número de electrones y el numero de protones que tengamos en un determinado átomo. Por aquello de que el potencial electrico tendrá una intensidad u otra segun cuantas cargas electricas tengamos involucradas. Por lo tanto, si el numero de electrones y de protones del nucleo nos dictan cuales son los niveles de enegía, tambien establecen las diferencias entre los mismos. Y como hemos dicho al saltar de un nivel superior a otro inferior el electron emite un foton de energía justo la diferencia de niveles. Por lo tanto, el espectro, cada línea nos da un salto permitido, nos dice qué atomo tenemos entre manos.

Saludos

[Guest]

Muchas gracias Entro,no quiero abusar de tu generosidad,pero entre las dudas me surge la destacada para mi.Has dicho que cuando llega un fotón con energía justa para producier un salto y se encuentra con un electrón excitado y que baja de nivel y así tengamos 2 fotones netos en el proceso.
La pregunta 1era: Es ésta la desexcitación inducida,ya que se usa un flujo de corriente en el medio del tubo emisor laser,que puede contener gas ,liquido o sólido.?
2da:Es estos 2 fotones disponibles que le imprimen la energía ,para la emisión en una sola long de onda ? . un saludo.

[Entro]

Pues si, la cuestión exacta del funcionamiento de un laser es justo esa que expones. Se puede pensar en un modelo con dos niveles de energía.

En primer lugar tenemos dos niveles con una diferencia de energía de 7 pongamos por caso.

Inyectamos fotones, justo de energía 7 (es decir de una determinada frecuencia) por tanto los electrones saltarán del estado inferior al estado superior.

Para inducir la desexcitación necesitamos también fotones de energía 7, un fotón de esta energía se encuentra con un electrón que ya está en el nivel superior y lo induce a bajar, con lo cual en el salto se emite otro foton de energía 7, con lo cual ahora tenemos dos fotones de energía 7. Lo que quiere decir que tienen la misma frecuencia y longitud de onda.

El proceso fundamental es este, pero luego se necesitan algunos detalles técnicos como la inversión de población, la cavidad resonante, el espejo con pérdidas, etc.

Saludos

[Guest]

[quote="Entro"][quote="carlos"]


Lo que si podemos calcular es en que promedio una muestra atómica, que ha sido excitada justo para que sus electrones pasen del nivel 0 de energía al nivel 3, se desexcitarán de forma que si miramos la luz que emiten, o el conjunto de fotones, nos dará una luz de un determinado color. Justo esto es lo que hace que tenga sentido hablar de los espectros atómicos.

Pregunto:
-Así, un fotón, al interaccionar con un electrón, a pesar de absorber su única idónea energía, ¿puede producir emisiones de distintas frecuencias?.

Como todos hemos escuchado podemos decir que elemento químico tenemos en una muestra a través de su espectro, el conjunto de líneas de luz nos indica los distintos saltos electronicos permitidos, un salto una frecuencia, una frecuencia un color. Por esto podemos decir de que están compuestas las estrellas sin ir allí a mirar. Solo nos basta recoger su luz y mirar su espectro.

........ Por lo tanto, el espectro, cada línea nos da un salto permitido, nos dice qué atomo tenemos entre manos.


Otra cosa que no entiendo, es la de que, si un fotón logra subir el nivel del electrón, un segundo fotón de sus mismas características, lo pueda restituir a su nivel inicial.

De entrada, me parece que debiera ser negativo para lograr este efecto contrario, o bien no admitirlo, ya que se halla saturado. Total, que me he perdido. Estaré atento a tus explicaciones, que como vamos viendo todos, la profundidad de este mundo cuántico, es superior a lo imaginado.

Saludos del Abuelo.

[Entro]

Pregunto:
-Así, un fotón, al interaccionar con un electrón, a pesar de absorber su única idónea energía, ¿puede producir emisiones de distintas frecuencias?.



Otra cosa que no entiendo, es la de que, si un fotón logra subir el nivel del electrón, un segundo fotón de sus mismas características, lo pueda restituir a su nivel inicial.

De entrada, me parece que debiera ser negativo para lograr este efecto contrario, o bien no admitirlo, ya que se halla saturado. Total, que me he perdido. Estaré atento a tus explicaciones, que como vamos viendo todos, la profundidad de este mundo cuántico, es superior a lo imaginado.

Saludos del Abuelo.

Respecto a la primera pregunta: Un fotón sólo puede producir un salto de nivel si su energía coincide exactamente con la necesaría para que el electron que lo absorve pase a otro estado posible de su espectro. Eso ya lo estableció Bohr en su teoría pre-cuántica. Lo impresionante es que las cosas funcionan, en términos de saltos energéticos, exactamente, o casi, tal y como el propuso a partir de su intuición.

La cuántica demostró inevitablemente que esto sucede así.

Por lo tanto, ya que lo que produce la emisión de nuevos fotones es el paso de un nivel superior a un nivel inferior, el electrón emitirá un único fotón cuya energía será la diferencia de energías del nivel superior, donde se encuentra, al nivel inferior, donde llega.

Respecto a la sengunda pregunta o duda: Efectivamente es dificil de entender esta situación , sin embargo es tal cual lo comento, como prueba estan los laseres. Pero hay una forma de verlo un poco más pedestre.

Podemos pensar que el electrón se rige por una ley "TODO O NADA". Supongamos la siguiente situación, tenemos un atomo con solo tres niveles. El nivel inferior tiene una energía 3 y el primer nivel excitado tiene una energía 5, y el segundo una energía 9.

Ahora imaginemos que el electrón está en el estado de mínima energía, el de 3.

Puede pasar lo siguiente:

a) Llegan fotones de energía 1, el electrón no saltará por mucho que se lo digan.

b) Llegan fotones de energía 2, ahora el electrón al interactuar con uno de estos si que puede saltar del primer nivel al segundo, ya que la diferencia de energías es 5-3=2.

c) El electrón se situa en el primer nivel excitado. Y de repente llegan fotones de energía 1. Vuelve a no pasarle nada, porque no hay ningún otro nivel accesible con ese salto de energía. Saltaría al segundo nivel si le llegaran fotones de energía 4, ya que 9-5=4 y podría efectuar la transición de nivel.

d) Supongamos que el electrón está en el primer nivel y que le llegan fotones de energía 2 de nuevo. Pues bien la cuántica nos dice que el electrón intenta agarrarlo, es como si supiera que su estado anterior era estar en el nivel más bajo, pero al intentarlo resulta que "suelta" la energía que ya tenía, y emite un fotón, y entonces cae irremediablemente al nivel inferior, y ahora tenemos dos fotones de energía 2.

El llegar a un entendimiento de este fenómeno implica conocer ciertas reglas de conservación y ciertas reglas cuánticas. En el libro de Carlos Sanchez del Rio está perfectamente explicado a un nivel básico. Pero la idea intuitiva es la que he intentado plasmar en estas líneas.

Saludos.

Nota: Como podeis comprobar, al contrario de un sentimiento generalizado de mucha gente que pulula por estos foros donde se tratan temas de física. La física establecida es muy interesante y estimulante, y para avanzar hay que conocerla a fondo. Lo que me gustaría reseñar es que evidentemente que tenemos problemas para entender las cosas y siempre buscamos soluciones que nos resulten familiares. Nos parece que las explicaciones establecidas no son más que trucos para hacer incomprensibles los fenómenos físicos. Pero nada más lejos de la realidad.

Por poner un ejemplo, a cualquier físico le gustaría poder explicar todo esto en base a Amplitudes de onda, esa física se estudia en bachillerato, y evidentemente se hacen esfuerzos en ese sentido, pero cuando uno se encuentra con dificultades matemáticas y experimentales que no puede explicar, ha de ir más allá de las ideas preconcebidas y disfrutar con el placer de tomar conciencia de que nuestro universo no dejará de sorprendernos.

El que nosotros no entendamos la cuántica en términos de la vida cotidiana, no significa que la cuantica sea errónea o que no hayamos pensado lo suficiente en esos procesos, es más bien que hemos sido capaces de arrañarle a la naturaleza alguno de sus secretos con la única ayuda de nuestra inteligencia.

Por eso, os animo a que estudieis la física establecida y que no dejeis de pensar en sus límites pero sin destruir o intentar mostrar que todo lo anterior está mal, porque no es cierto. Básicamente se le pediría a todo visionario de la física que explicara todos los experimentos explicados con una u otra teoria establecida en base a su modelo, y me da la impresión de que no lo conseguiría.

Animo y a seguir aprendiendo todos juntos.

[Alex]

Hola nuevamente. Iba a responder en el otro hilo, pero me encuentrocon este, que considero buena idea de Entro, para ir dejando "las cosas claras", dentro de nuestras posibilidades claro...

Pregunto:
-Así, un fotón, al interaccionar con un electrón, a pesar de absorber su única idónea energía, ¿puede producir emisiones de distintas frecuencias?.

Puede pasar, de hecho pasa y convivimos con este fenómeno, que un fotón de mucha menor energía que la necesaria para interaccinar con un electrón pueda inducir al átomo a emitir un fotón. No tenemos nada mas que ver la propgacion lateral de la luz=esparcimiento=dispersión.

Imaginate que en el vacío, metemos unas pocas moleculas de oxigeno, nitrogeno e hidrogeno.Como sabes, todos estos átomos son transparentes al visible, por lo que no pueden ser excitado de ninguna manera por la luz (ninguna de sus frecuencias tendrá energía suficiente para producir una transición hacia cualquiera de los estados excitados mas altos). Estos átomos son alcanzados por fotones de mucha menor energía que la necesaria para excitarlo. Ves que aquí el átomo sigue permaneciendo en su nivel mas bajo de energía, no se produce ninguna transición atómica, pero la nube de electrones comenzará vibrar débilmente con una determinada frecuencia que le ha transmitido el fotón y que hace que continuamente se acerque y se aleje del núcleo positivo, constituyendo así un dipolo oscilante y supuestamente comenzará “inmediatamente” a irradiar en la frecuencia del fotón que provocó esta vibración. Este proceso se conoce como “no resonante” o elástico y es espontáneo y se producirá en cualquier dirección, MENOS HACIA DELANTE dando lugar al “esparcimiento lateral” y explica por ejemplo el color azul del cielo, o el porque las cosas son de colores. Estos nuevos fotones interferirán con los de la onda primaria y precisamente esta interferencia da lugar al cambio de velocidad aparente de la luz en un medio cristalino (refracción). La respuesta de los "osciladores" a estos fotones, será mas eficiente cuanto el fotón más se acerque a la energía de resonancia o de absorción-emisión (absorción disipativa), es decir cuanta mas alta sea la frecuencia, mas lateralmente se esparcirá. Como todas la moleculas de estos gases son excitadas por rayos ultravioleta o superiores, quiere decirse que un rayo en frecuencia del azul, será mas fuertemente esparcido lateralmente, por estar su frecuencia más cercana a la de resonancia, que uno del rojo por ejemplo.

"Con caracter general podemos decir que en un medio poco denso, los "dispersores" están muy espaciados y al azar y activados por una onda primaria incidente, emiten trenes de ondas básicamente independientes unos de otros en todas direcciones excepto adelante". (de mis apuntes de hace mas de 20 años supongo que estan en vigor... todavía).

[Guest]

Mas vale tarde, que nunca. La aparición por estos foros de Entro y Alex, debiera haberse producido un año ha.

Las preguntas que tuve que autoresponderme a través de "Viaje Ondular", hubieran logrado mejor concisión, evitándome tanta dilatación imaginativa.

La verdad es que antes de la recomendación de los libros de texto de Cuántica, que me brindaron Entro y alshain, lo que iba consultando de paginas Web, y libros divulgativos, no me iluminaban mucho.
(Algunas me retrocedieron).

Pero ahora me encuentro en el caso opuesto. Me deslumbro y voy muy lento en el progreso de su lectura. Luego viene el entenderlo, y por último, ser capaz de resolver problemas.

Deseo que me vayais respondiendo a nuevas preguntas para esclacerme las sempiternas dudas, que aúnque Entro me remite a"Carlos Sanchez del Río", preciso más tiempo para llegar al capítulo que ello lo exponga.

En verdad, ponerse al día después de 60 años, no es moco de pavo.

Saludos del Abuelo.