¿Por qué, después de absorber un fotón, el electrón de un átomo "cae" de nuevo a su estado básico (lo que hace que pierda inmediatamente la energía absorbida)?
¿Por qué, después de absorber un fotón, el electrón de un átomo "cae" de nuevo a su estado básico (lo que hace que pierda inmediatamente la energía absorbida)?
La respuesta de @Davidmh da nuestras observaciones de la física clásica, donde formulamos las cantidades "energía" , "potencial" etc. Observamos que esto era así, una manzana cae, y las brillantes matemáticas organizaron estas observaciones en ecuaciones que pueden predecir lo que sucederá. Así que la verdadera respuesta a un "por qué" en física es "porque hemos observado que así es". A continuación, la física responde al "cómo" sucede, remitiéndose a los modelos matemáticos construidos para describir el cómo.
Ahora bien, los electrones y los fotones no son partículas clásicas, sino entidades de la mecánica cuántica, que trabajan con diferentes modelos de la naturaleza en un marco diferente. Aun así, hay continuidad en la física, y se ha mantenido el concepto de energía y energía potencial, y en el límite lo clásico emerge de lo mecánico cuántico, la capa subyacente.
Así que la respuesta al "por qué" a nivel del electrón-fotón es realmente "porque eso es lo que hemos observado". PERO tenemos un modelo matemático muy bueno para explicar el "cómo" sucede esto, que también es predictivo de los comportamientos futuros. Es el siguiente:
Un fotón que incide en un átomo tiene una probabilidad de interactuar con él, ser absorbido y elevar el átomo a un nivel de energía superior. Esta probabilidad puede calcularse con las herramientas de la mecánica cuántica, que también predicen que una vez que el electrón está en un nivel de energía superior, existe una fuerte probabilidad de que vuelva a caer al nivel de tierra emitiendo un fotón con la energía adecuada. Se puede pensar en ello con la incertidumbre de Heisenberg principio, también. El nivel de energía más alto tiene una anchura, delta (E) que significa que tiene un tiempo de vida delta(t) de existir, es inestable.
Nuestros modelos son muy buenos y exitosos, y tendemos a pensar que responden al "por qué". Por ejemplo en este caso diremos "porque el nivel de energía tiene una anchura y a partir del HUP tendrá que decaer", pero en verdad, sólo estamos respondiendo "cómo" dentro de nuestro modelo esto sucede.
Es extraño que ninguna de las dos respuestas mencione la emisión espontánea, que es ese "por qué".
@Ruslan Hay muchas cosas que no se mencionan. Se supone que esto es una respuesta a una pregunta concreta. La emisión espontánea está en la parte delta(e) delta(t). Es un nivel de energía que tiene un largo tiempo de vida, posiblemente debido a las leyes de conservación del número cuántico, y esa energía fue suministrada en algún momento en el pasado.
@annav ¿No sería más apropiado decir que no podemos responder a las preguntas "por qué" que se refieren a los postulados/axiomas de la teoría? Quiero decir que si preguntamos "por qué cae esa manzana" podemos responder por las leyes de Newton. Pero no podemos responder por qué la naturaleza tiene esa ley.
Esto se debe a que normalmente un electrón SÓLO puede permanecer en ciertos estados de energía en un átomo dado, esto es debido a las fuerzas mecánicas cuánticas como la fuerza fuerte, y los principios de incertidumbre de Heisenberg.
Permítanme explicar más, como el electrón se acerca a un átomo de la electrostática y otras fuerzas mecánicas cuánticas entre el electrón comienza a tirar de él, y como el electrón se acerca el electrón es esencialmente más confinado y desde el principio de incertidumbre de Heisenberg gobierna que el momento de los electrones tiene que llegar a ser incierto por lo que como resultado el electrón no caerá en porque su momento es incierto por lo que sólo ocupará un espacio probable alrededor del átomo, que llamamos un orbital \energy y por lo tanto sólo hay ciertos niveles de energía estables en los que un electrón puede ocupar y por lo tanto si dices que golpeas un electrón con el fotón el electrón podría por un breve tiempo obtener más impulso y escapar del orbital estable \stable nivel de energía durante un breve tiempo, sin embargo, como el nuevo orbital \energy es muy inestable, ya que la fuerza electrostática y otros efectos mecánicos cuánticos podrían estar tirando de él para que vuelva a caer en el átomo y, debido a la conservación de la energía, el electrón emite un fotón, y al alcanzar de nuevo la configuración estable donde el principio de incertidumbre de Heisenberg y las fuerzas cuánticas vuelven a alcanzar un equilibrio.
Por eso cada átomo tiene un espectro específico de luz que también emite debido a que el electrón vuelve a caer a un nivel de energía específico. Esta es también la razón por la que la fotoelectricidad funciona.
Esa es una propiedad general de nuestro universo: las cosas tienden al estado de mínima energía y máxima entropía.
Una bola en la parte superior de un tobogán irá hacia abajo, porque allí tendrá menos energía potencial.
Las cargas se atraerán o repelerán entre sí, buscando la configuración de energía mínima.
Una banda elástica estirada tenderá a recuperar su forma original porque... tienes el patrón.
Si quieres, la respuesta es la termodinámica.
Esto es sólo parcialmente cierto. A altas temperaturas, las cosas generalmente no estarán en la configuración de energía mínima. La respuesta se encuentra en la termodinámica, pero quizá sea menos sencilla de lo que sugieres.
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Ciertamente están relacionados. Posiblemente incluso un duplicado. physics.stackexchange.com/q/11147/29216