¿Cómo absorbe o emite luz un electrón?

Question

Se sabe que los átomos emiten o absorben luz cuando la energía de los fotones es igual a la diferencia de los niveles de energía en el átomo. Lo que no entiendo es cómo un electrón absorbe la luz dentro de un átomo. ¿Es que el átomo en su conjunto absorbe la luz o los electrones individuales absorben los paquetes de luz? También me gustaría saber, qué se quiere decir cuando se dice que un electrón absorbe el fotón. ¿Cómo absorbe un electrón un fotón?

Answer 1

Un átomo no es más que un estado limitado de electrones y un núcleo cargado positivamente llamado núcleo. Los electrones del átomo están en estado ligado y por ello sus niveles de energía son cuantificado . Además, es posible tener niveles de energía rotacional y vibracional cuantificados de las moléculas. La forma en que se diferencian es en la diferencia de energía que caracteriza la transición de un estado a otro.

Posibles formas de absorción de un fotón por un átomo o una molécula

Si el nivel de energía del fotón entrante es tal que el los electrones pueden tener una transición de un estado a algún estado superior permitido entonces el nivel de energía del fotón estará en el rango visible o ultravioleta y hacemos uso de este principio en la espectroscopia electrónica.

Supongamos que un electrón particular se encuentra en el estado de energía con valor propio de energía $E_i$ . Existe un nivel de energía superior $E_f$ . Si los niveles de energía de los estados ligados del electrón son tales que coinciden exactamente con la energía del fotón: $h\nu=E_f-E_i$ entonces el electrón será excitado al estado de energía $E_f$ .

Ahora, si la energía del fotón incidente coincide con la diferencia en los niveles de energía vibracional de cualquier par de estados de la molécula entonces puede provocar la transición de ese estado de energía vibracional al estado de energía superior. Esta energía suele estar en la región infrarroja y la técnica se utiliza en la espectroscopia infrarroja.

Por ejemplo, en el caso de las moléculas diatómicas, los niveles de energía vibracional están cuantizados y, en buen sentido, pueden aproximarse a los de un oscilador armónico: $E_n=\left(n+\frac{1}{2}\right)\bar{h}\omega$ . Entonces, si la energía del fotón es tal que $h\nu=E_f-E_i$ el electrón pasa del estado $E_i$ a $E_f$ , donde $E_i$ y $E_f$ están dadas por la ecuación anterior del oscilador armónico y los estados están definidos por el número cuántico $n=i$ y $n=f$ .

Ahora bien, si la absorción de un fotón sólo puede afectar a los niveles de energía rotacional de la molécula entonces el fotón absorbido estará en la región de las microondas. La técnica espectroscópica que utiliza este principio es la espectroscopia de microondas.

Por ejemplo, los niveles de energía rotacional de una molécula diatómica vienen dados por: $\displaystyle{E_j=\frac{j(j+1){\bar{h}}^2}{2I}}$ , donde $I$ es el momento de inercia y $j$ es el número cuántico del momento angular. En tal caso, podemos escribir: $h\nu=E_f-E_i$ y el estado ligado absorbe el fotón y se excita al estado con energía $E_f$ con $E_f$ y $E_i$ determinado por el número cuántico $j=f$ y $j=i$ .

Ahora, el la energía puede ser absorbida por los núcleos también. Puede ser dispersión elástica de núcleos (análogo a la dispersión Compton de muy baja energía por un electrón. En este proceso, un fotón interactúa con un nucleón de tal manera que se reemite un fotón con la misma energía), dispersión inelástica de núcleos (el núcleo se eleva a un nivel de excitación al absorber un fotón. Posteriormente, el núcleo excitado se desexcita emitiendo un fotón de igual o menor energía) y Dispersión de Delbruck (el fenómeno de la dispersión de fotones por el campo de Coulomb de un núcleo, también llamado dispersión de potencial nuclear, que puede considerarse como la producción de pares virtuales en el campo del núcleo, es decir, la producción de pares seguida de la aniquilación del par creado). Sin embargo, estos procesos son despreciables en las interacciones de los fotones.

Conclusión:

La absorción de un fotón sólo se producirá cuando la energía cuántica del fotón coincida exactamente con el hueco energético entre los estados inicial y final del sistema. (el átomo o una molécula en su conjunto) es decir, mediante la absorción de un fotón, el sistema podría acceder a algún estado energético mecánico cuántico superior permitido. Si no hay un par de estados de energía tal que la energía del fotón pueda elevar el sistema del estado de energía inferior al superior, entonces la materia será transparente a esa radiación.

Por lo tanto, si se produce alguno de los tipos de transición energética mencionados, eso afectará al estado cuántico del sistema en su conjunto (transita el sistema de un estado a otro). Así que se podría decir, como señaló @annav, que es el átomo (o la molécula) el que absorbe la radiación y cambia los niveles de energía de sus partículas constituyentes, dependiendo de la energía absorbida. De todos modos, un cambio en el nivel de energía del electrón, o en los niveles de energía rotacional o vibracional de las moléculas puede verse como un cambio en el estado cuántico de la molécula. Por lo tanto, es mejor quedarse con el concepto de que la molécula en su conjunto absorbe la energía y cambia su estado a algún estado de mayor energía al cambiar el estado cuántico de sus partículas constituyentes.

Answer 2

Dejaré que otros comenten los mecanismos detallados que intervienen, que no son más que modelos matemáticos que utilizamos para entender el proceso y a los que se puede acceder con distintos niveles de complejidad.

Lo que sí es cierto es que un electrón aislado no puede absorber completamente un fotón (la absorción parcial es posible y se conoce como dispersión Compton). Es imposible que la energía y el momento se conserven en este proceso. Por lo tanto, la absorción de un fotón tiene lugar en el contexto del átomo como un todo, donde se pueden satisfacer las diversas leyes de conservación. En su forma más simple, quizás sea mejor pensar en el átomo como un oscilador con niveles de energía discretos que puede excitarse o desexcitarse entre estos modos al interactuar con el campo electromagnético de la luz (o alternativamente al absorber o emitir la energía del fotón).

Answer 3

Desde el punto de vista de las partículas físicas, un electrón (libre o unido a un átomo) no puede absorber un fotón y no lo hace. El átomo absorbe el fotón y toma su energía cinética. Esa energía cinética provoca un aumento de la vibración del átomo, que puede emitir otro fotón y/o emitir un electrón suelto/ligado y/o esa vibración puede transmitirse a los átomos cercanos.

Answer 4

El electrón absorbe energía sólo cuando coincide exactamente con su hueco energético, aquí se puede aplicar la conservación del momento. La longitud de onda del fotón coincide casi con la del electrón, por eso se puede decir que el electrón absorbe energía.