En un átomo, cuando un electrón pierde energía, ¿por qué se libera un fotón? Si los fotones no tienen masa, ¿cómo se crean en este proceso y por qué?

Question

Esta es mi primera pregunta y solo tengo 14 años así que disculpen mis errores. Por favor, simplifique su respuesta sólo un poco. Usar términos pensando que no voy a entender es un error.

Answer 1

Creemos que existe algo llamado campo electromagnético, se trata de una interacción invisible, al igual que la gravedad que tira hacia abajo, el campo electromagnético es una fuerza que actúa sobre la materia magnética y la materia cargada eléctricamente.

El fotón es una excitación de este campo. Piénsalo así, si el campo eléctrico fuera una gran hoja de tela, el fotón es las ondas que se producen en la superficie. El electrón puede crear fotones porque el electrón está cargado eléctricamente por lo que puede crear un campo eléctrico a su alrededor, y si el electrón se mueve rápidamente u oscila, irradiará estas ondas (fotón), al igual que si tomas una parte de la hoja de tela y la mueves rápidamente o la mueves hacia arriba y hacia abajo, verás una onda que sale del lugar donde la mueves.

He intentado ser muy breve, pero le ruego que me pida más aclaraciones si las necesita.

Answer 2

Una imagen sencilla:

Desde electromagnetismo clásico sabemos que una carga acelerada irradia ondas electromagnéticas.

Una de las razones por las que llegamos al modelo mecánico cuántico del átomo es porque, clásicamente, un electrón que girara alrededor de una carga positiva, debido a la aceleración radial irradiaría un espectro continuo hasta caer sobre la carga positiva y neutralizarla. Evidentemente, esto no ocurrió porque los átomos, como el más simple, el átomo de hidrógeno, existen y son estables.

Cuando un electrón cayó sobre un protón para formar hidrógeno, las observaciones mostraron que se irradiaba un espectro de energía específico

Serie Balmer

que se puede equipar con serie matemática en frecuencias discretas.

Esto llevó a la Modelo de Bohr del átomo, donde para explicar la serie, se postuló que existían órbitas del electrón que eran estables a menos que fueran excitadas con una radiación entrante, y las líneas que se veían eran transiciones entre órbitas.

Al mismo tiempo, Planck postuló los fotones, partículas discretas que constituían la luz con frecuencia h*nu, para explicar radiación del cuerpo negro.

El descubrimiento de que la ecuación de Shrodinger podía dar soluciones para los potenciales eléctricos del átomo de hidrógeno y que se ajustaban al espectro del hidrógeno, ató todo el asunto.

Los fotones son el quantum del espectro electromagnético, y son absorbidos o radiados en las interacciones con los átomos porque el átomo se mantiene unido principalmente por un potencial eléctrico, que da niveles de energía cuantizados , y no el continuo de la teoría clásica que no tenía fotones.

Answer 3

Hay un gran problema con la mecánica cuántica: es muy abstracta y a veces contraintuitiva cuando se va a profundizar en ella. No te preocupes, cualquier persona interesada en la mecánica cuántica ha tenido que enfrentarse a esto. El hecho de que esto te preocupe es una buena señal de que lo aprobarás con éxito.

El fotón sin masa es sin masa en términos de masa estacionaria. Toda la energía está en forma de energía cinética en términos de la relatividad especial de Enistein. Cuando el fotón se detiene, toda su energía se transforma en cualquier otra forma y su energía llega a cero, co deja de existir en absoluto. El fotón, en realidad, no es más que una construcción teórica para engañar a nuestras mentes y poder digerir todas las propiedades de la luz.

El fotón, en su origen, no es más que una construcción teórica para describir la teoría cuántica de Planck, en la que la energía no se irradia mediante un flujo continuo de energía, sino en pequeños trozos. Esos trozos de energía se llamaron fotones.

Sabes que el péndulo ideal almacena energía mecánica en forma de energía cinética y ptencial. Sabes que los péndulos conectados pueden transferir la energía de un punto a otro. Pruébalo con tu amigo. Sujeta una cuerda por los dos extremos, ténsala un poco y luego balancea la mano que sostiene la cuerda. Verás una joroba que corre hacia tu amigo y que finalmente balancea su mano. Si consideramos la cuerda como el campo electromagnético, la joroba es el fotón. El problema con el ejemplo de la tela es que la joroba del fotón está localizada tanto en la distancia como en la dirección desde usted. Se parece más a una bola enviada desde ti a alguna parte cuando el observador está abajo (y puede ver sólo la forma de la tela). Y el zumbido no representa el desplazamiento real sino la amplitud de las oscilaciones en la posición de la joroba.

La joroba no estaba ahí cuando agitaste la mano; apareció (como hacen los fotones cuando el átomo excitado llega al nivel estable) y desapareció cuando chocó con tu amigo (como hacen los fotones cuando chocan con el átomo que lo excita).

Answer 4

No hay que pensar en un campo como una superficie, un campo es un cálculo matemático de un fenómeno. Es una abstracción. Realmente lo que es el campo, es una fuerza en cada punto. Cuando la fuente de un campo se sacude, el reajuste de los valores de la fuerza en cada punto se produce en un movimiento que puede aproximarse a una onda matemática. Pero este reajuste conlleva una energía en sí mismo, que es la energía asociada a una onda. Se puede ver que todo esto es un galimatías matemático para un fenómeno físico difícil de imaginar.

Un fotón, de nuevo, es sólo la "unidad", por así decirlo, de este reajuste. Es evidente que no puede tener masa porque no es un objeto, es una abstracción.

Answer 5

Si se libera la energía potencial almacenada en un trozo de agua que se eleva mecánicamente por encima del nivel de la superficie del agua, la energía se irradiará en forma de ondas. Estas ondas arrastran energía, pero no tienen masa.

(De Wikipedia https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/37/Shallow_water_waves.gif )

En un átomo, la energía potencial del movimiento del electrón en el potencial culombiano (la atracción de un electrón y un protón) también se libera como una onda, pero la fuerza que causa la energía potencial es electromagnética y la onda resultante es electromagnética.

Ahora, debido a la mecánica cuántica, hay niveles de energía discretos y cuantos de luz - fotones, pero sigue siendo una onda electromagnética.