¿La caída de un electrón de 2s2s2s a 1s1s1s produce exactamente el mismo tipo de fotón en diferentes átomos y moléculas? [cerrado]

Generalmente, el$1s$y$2s$Los orbitales se asociarán con diferentes energías en diferentes átomos, lo que significa que una transición que mueve un electrón desde el$2s$orbital a la$1s$orbital emitirá a una longitud de onda diferente para diferentes átomos. No está claro a qué te refieres con "tipo de fotón", pero tener una energía de fotón diferente definitivamente califica. (Por otro lado, las características de momento angular de esos fotones, específicamente, su polarización y perfil espacial, serían las mismas).

Sin embargo , algunas advertencias importantes:

• El$2s\to 1s$La transición está prohibida por dipolo , lo que significa que no estará presente a menos que haga un esfuerzo fuerte y dedicado para descubrirlo.

  (Aunque dicho eso, el$2s\to1s$La transición es un elemento básico importante de la espectroscopia de precisión del átomo de hidrógeno ( ejemplo ), ya que su naturaleza de dipolo prohibido significa que su vida útil natural es mucho más larga que las líneas permitidas por dipolo, lo que significa que su ancho de línea natural es correspondientemente más estrecho).

• Dicho "$2s\to 1s$transición" asume intrínsecamente que tiene un átomo de un electrón, y que no hay otros electrones para realizar un seguimiento. Esto obviamente solo es cierto en el hidrógeno y los iones hidrogenados como$\rm He^+$,$\rm Li^{2+}$,$\rm Be^{3+}$, y una serie de especies altamente cargadas cada vez más improbables y no disponibles.

  Sin embargo, en general, no puede decir simplemente eso: debe especificar completamente las configuraciones electrónicas inicial y final: por lo tanto, diría$1s^12s^1\to1s^2$en helio, por ejemplo, o$1s^12s^2\to1s^22s^1$en litio, digamos.

• Sin embargo, si vas más allá, te encuentras con el problema de que no puedes mover un electrón del$2s$concha a la$1s$shell sin que esto sea una transición entre dos estados excitados: a partir de berilio, la única forma de tener tal transición sería hacer algo como

  $$1s^1 2s^2 2p^1 \to 1s^22s^1 2p^1, \tag{$*$}$$ y eso ya es imposible: el segundo estado$1s^22s^1 2p^1$, existe como el primer estado excitado de berilio, pero el agujero central implicado por el$1s^1$en$1s^1 2s^2 2p^1$requiere más energía para crear de lo que se necesita para simplemente eliminar uno de los$2s^2$electrones, lo que significa que el estado inicial es un estado autoionizante inestable con una vida útil muy corta, y no existe en la naturaleza. (Puede ir a buscar los niveles de energía del berilio en el ASD del NIST , solicítelos Be Ien el cuadro de búsqueda, y confirme que no se informa de tal estado allí). La transición en$(*)$podría ser accesible como una resonancia en experimentos de absorción transitoria de attosegundos ( aquí / aquí hay un ejemplo similar en helio), pero eso es todo.

Para abordar sus otras preguntas:

Además, ¿un cambio de un número cuántico principal más alto a uno más bajo siempre produce un fotón de alta energía? Siempre más alto que una caída en los subniveles ($p$a$s$, p.ej)?

En términos generales, sí: las transiciones que cambian el número cuántico principal de un electrón de valencia generalmente tienen energías de transición más altas que las transiciones entre subcapas de diferente momento angular que mantienen intacto el número cuántico principal. Sin embargo, ese no es un hecho universal: a medida que los átomos crecen, hay todo tipo de fenómenos extraños que pueden activarse.

En otras palabras, es la cantidad de energía (en electronvoltios) entre$2s$y$2p$el mismo o similar para diferentes especies químicas?

Esta es una regla bastante universal: básicamente nunca encontrarás dos transiciones en dos especies químicas diferentes que tengan energías de transición idénticas; esto es lo que permite que funcione la espectroscopia, ya que permite que las líneas de emisión y absorción funcionen como huellas dactilares químicas.

Para$2p\to 2s$transiciones, probablemente sea mejor si va y juega usted mismo usando el NIST ASD, ya sea en las líneas o en las bases de datos de niveles para el primer período$p$-elementos de bloque (boro a través de flúor; ​​agregar Ipara obtener el átomo neutro).

Si un electrón cambia de dirección de giro (el cuarto número cuántico), ¿eso produce un fotón débil?

Las transiciones que cambian la dirección de giro están prohibidas por el dipolo eléctrico y solo pueden tener lugar desde el dipolo magnético en adelante , lo que significa que están suprimidas (en probabilidad, no en energía) en comparación con las transiciones que no cambian ningún giro. Si lo único que estás haciendo es girar un giro, entonces hay dos posibilidades:

• Estás cambiando el giro de un electrón de forma aislada, como por ejemplo, tienes un ion de helio$\rm He^+$en el$1s$estado, y estás cambiando la dirección del espín del electrón solitario. En este tipo de situación, el hamiltoniano atómico es isotrópico, por lo que no le importa la dirección del giro, y si su átomo no está perturbado, la energía de transición será exactamente cero. Sin embargo, cuando hacemos esto, generalmente estamos aplicando un campo magnético externo, que interactuará con el espín del electrón a través del efecto Zeeman , y eso inducirá una pequeña diferencia de energía entre los dos niveles, típicamente en el régimen de radiofrecuencia.

• También es posible que estés cambiando el giro de un electrón con respecto a algún otro sistema: ya sea el núcleo (como en el hidrógeno atómico, digamos) u otros electrones. Estos representan transiciones dentro de los múltiples de estructura hiperfina y estructura fina de cada nivel, que tienden a ser transiciones de baja energía, que van desde el régimen de radio hasta las bandas de microondas altas, dependiendo exactamente de lo que esté tratando.

En general, decir "fotón débil" es un lenguaje poco claro y debe evitarse. En los dos casos anteriores, los fotones tendrán una energía fotónica baja y también estarán prohibidos como dipolos, lo que significa que serán relativamente poco probables. (Sin embargo, hay muchos ejemplos importantes en esta clase, comenzando con la línea de hidrógeno de 21 cm ).

Si, por otro lado, estás haciendo un giro giratorio además de algún otro cambio (digamos, el$1s2p\to 1s^2$transición en helio, donde también estás invirtiendo uno de los giros, es decir, pasando del triplete de giro$^3P$hasta el estado fundamental del singlete de espín), entonces el efecto será un cambio mínimo en la energía del fotón (en ese caso, del orden del 1% de cambio relativo) y una fuerte supresión (aquí, por un factor de$10^7$) de la probabilidad de transición.

¿La caída de un electrón de 2s a 1s produce exactamente el mismo tipo de fotón en diferentes átomos y moléculas?

Un electrón se caracteriza por su energía y polarización. Eso es todo. Entonces, todos los fotones son iguales, en otras palabras, no podríamos notar la diferencia entre dos fotones, los cuales tienen los mismos valores de energía y polarización.

Además, ¿un cambio de un número cuántico principal más alto a uno más bajo siempre produce un fotón de alta energía?

Piense en la energía necesaria para poner un electrón en un orbital dado, eso es lo que, en promedio, obtendrá como un fotón de una energía dada cuando el electrón cae a una órbita más baja. Pero la transición de un electrón entre dos orbitales no es un proceso sencillo, es decir, el electrón puede ocupar muchas posiciones intermedias antes de "establecerse".

En otras palabras, ¿la cantidad de energía (en electronvoltios) entre 2s y 2p es la misma o similar para diferentes especies químicas?

Cada elemento produce un espectro distintivo (para que sepamos cuál es), por lo que la cantidad de energía es diferente para cada elemento. Esto se debe a que la carga nuclear positiva es diferente para cada elemento, y también a que las capas de electrones circundantes varían en su fuerza total de repulsión/protección sobre un electrón en particular.

Si un electrón cambia de dirección de espín (el cuarto número cuántico) eso produce un fotón débil.

Por fotón débil, lo único que puede significar es un fotón de baja energía. En relación a esto, esta respuesta podría interesarte. Electrón y espín . No se necesita mucha energía para cambiar la dirección de giro de un electrón, por lo que si retrocede, producirá un fotón de baja energía.