Mi comprensión un tanto básica del concepto proviene de conferencias a las que he asistido sobre el modelo de Bohr, que explica que el fenómeno surge del hecho de que ciertas configuraciones de un átomo solo pueden absorber ciertas longitudes de onda de luz y otras configuraciones pueden emitir la misma longitud de onda. y cambie a la primera configuración.
Ahora lo que no puedo entender es por qué estos efectos no se anulan, y por qué en algunos casos gana la absorción y observamos líneas de absorción, y en otros casos es al revés. Además, si no lo he entendido mal, también hay algunos casos en los que observamos tanto la absorción como la emisión a la vez.
Así que mi pregunta se reduce a esto: ¿Por qué?
A su nivel de comprensión, el átomo de Bohr servirá.
Los átomos son neutros, compuestos por electrones que orbitan (cargados negativamente) alrededor de un núcleo (cargado positivamente).
La pregunta muy básica que surge de este hecho, que un átomo está compuesto de electrones que orbitan alrededor de un núcleo positivo es: ¿cómo puede ser posible cuando sabemos que las cargas aceleradas las hacen irradiar ondas electromagnéticas y perder impulso? Los electrones deberían caer en el núcleo ya que una carga circulante tiene una aceleración continua, y la materia tal como la conocemos no podría existir.
Ingrese al modelo de Bohr: postuló que había algunas órbitas donde los electrones podían moverse sin perder energía, órbitas cuantizadas.
Ingrese las líneas de absorción: los electrones solo podrían cambiar de órbita si son impulsados por una onda electromagnética de una energía específica para esa órbita en particular y discreta. Por lo tanto, si uno proyectaba esa frecuencia específica de luz (E=h*nu) sobre un átomo específico, había una probabilidad de impulsar un electrón a una órbita más alta, llamada excitada.
Introduzca las líneas de emisión: Una vez excitado había una probabilidad de que el electrón volviera a caer emitiendo la energía específica que había absorbido antes. Esto se pudo observar.
Diferentes experimentos mostrarán los diferentes comportamientos, aunque la absorción y la emisión estarán ocurriendo continuamente en el material.
Un experimento que ilumine el material y mire el espectro reflejado verá líneas de absorción en esas frecuencias, porque la relajación de los electrones excitados emitirá radiación de regreso al azar, mientras que el espectro reflejado está en un ángulo específico.
Un experimento fuera de la línea de los excitantes fotones verá el espectro de emisión . Los espectros de absorción son útiles para identificar elementos en estrellas , la absorción ocurre en la atmósfera de la estrella y aparece como líneas oscuras en el espectro del cuerpo negro.
No hace falta decir que la física se ha movido hacia nuevos horizontes desde que el átomo de Bohr fue noticia. Ha sido superada por la mecánica cuántica, que brinda herramientas para predecir y clasificar con precisión todos los espectros como resultado de una teoría coherente de la forma en que se comporta el universo (es decir, mecánicamente cuántica).
Una línea espectral está asociada con un par de niveles de un átomo con energías . Por lo general, a menos que tratemos con láseres sofisticados, etc., el número de átomos en el nivel es menor que el número en el nivel – porque la Naturaleza lucha por ahorrar energía. La relación está dada por , por las leyes universales de la física estadística.
Por lo tanto, un sistema general que muestra la absorción o la emisión se describe al menos por un parámetro, la relación del número de ocupación para el nivel superior y el nivel inferior. Hay un parámetro más importante: la densidad de fotones. en el estado apropiado con la frecuencia pertinente. Si no hay fotones para empezar, no puede haber absorción. No hay nada que absorber.
Las reglas generales basadas en los osciladores armónicos cuánticos implican que la probabilidad de absorción si hay fotones es proporcional a mientras que la probabilidad de emisión si hay fotones para empezar es . Estas dos declaraciones están relacionadas por la simetría de inversión de tiempo; hay en lugar de porque es el número de fotones en el estado final que es el compañero de inversión de tiempo del estado inicial del caso de la absorción.
También, puede interpretarse como la suma de , la emisión estimulada, y , la emisión espontánea. Estas reglas ya las conocía Einstein casi una década antes del nacimiento de la mecánica cuántica.
Entonces, si el sistema inicial tiene muchos fotones en las frecuencias correctas y una cantidad relativamente pequeña de átomos excitados, la absorción, acompañada de la excitación de muchos átomos no excitados, dominará. Por el contrario, si colocas muchos átomos (con una proporción bastante alta de los excitados) en un ambiente sin luz, la emisión superará a la absorción. Esta relación de la tasa de emisión y absorción es fácil de calcular.
En todos los casos, puede ver el exceso de absorción o el exceso de emisión como ejemplos de la segunda ley de la termodinámica: el calor fluye de un cuerpo más caliente a uno más frío. Los dos objetos son el conjunto de átomos y el campo electromagnético (sus modos relevantes). Si la temperatura de los átomos (dada por la relación de los números de ocupación para estados excitados y no excitados) es más alta que la del campo electromagnético (dada por el número de fotones), el calor fluirá de los átomos al campo electromagnético. La naturaleza trata de alcanzar el equilibrio.
Además, un átomo puede absorber y otro puede emitir. Alternativamente, los fotones con una dirección o polarización pueden ser absorbidos mientras que los fotones con otra dirección o polarización pueden ser emitidos. Por lo tanto, ambos procesos pueden ocurrir, y pueden observarse de forma independiente, al mismo tiempo. Si necesitara más detalles, tendría que ser más específico sobre el experimento en el que esas dos cosas ocurren al mismo tiempo.
