¿Puede un electrón saltar a un nivel de energía más alto si la energía es insuficiente o excede el ΔEΔE\Delta E?

Digamos que tenemos un átomo de hidrógeno. Tiene un electrón en mi 1 = − 13.6   mi V     ( mi 2 = − 3.4   mi V ) nivel de energía. Sé que si disparamos un fotón con 10,2 eV de energía, el átomo de hidrógeno lo absorberá y el electrón saltará al siguiente nivel de energía E2. Y abajo están mis preguntas.

  • P1: Si un fotón con 10,1 eV de energía ( insuficiente para excitar electrones ) golpeara el átomo de hidrógeno, ¿qué pasaría? ¿El fotón será absorbido por el átomo e inmediatamente emitido, y el fotón emitido (¿o los fotones?) tendrán la misma energía de 10,1 eV? ¿O el fotón atravesará el átomo o qué pasaría?
  • P2: La misma pregunta que la anterior, en este caso nuestro fotón tiene un poco más de energía, digamos que tiene 10,3 eV. De nuevo, ¿qué pasaría? ¿El átomo absorberá el fotón y excitará al electrón, pero dado que la energía del fotón excede la energía requerida para excitar al electrón, el átomo emitirá un fotón con 0.1 eV de energía o qué sucederá en este caso?

Investigué un poco al respecto y me confundí mucho. Algunos dicen que necesita la cantidad exacta de energía ( Δ mi = mi 2 − mi 1 en nuestro caso Δ mi es igual a 10.2 eV) para saltar al nivel de energía más alto, algunos dicen que puede saltar si la energía excede el nivel de energía. Δ mi . Lo que realmente no pude encontrar es qué sucede con la cantidad adicional de energía o tal vez el electrón puede estar en mi 2 nivel de energía con un poco más/menos energía.

Eventualmente quiero entender el concepto de la reflexión. Cómo vemos los objetos, por qué son transparentes, brillantes, rojos o cualquier otra cosa. Pero esto está fuera del alcance de mi pregunta.

Sin embargo, no soy un experto; así que anote los errores anteriores si los hay.

Interesante pregunta... en el modelo semiclásico de interacción luz-electrón, existe una probabilidad muy pequeña (¡pero finita!) de que un electrón se mueva a un nivel superior incluso cuando la frecuencia de la luz incidente es menor que la brecha de energía; Me pregunto si existe el mismo resultado en el modelo cuántico completo de interacción luz-electrón. Sospecho que la incertidumbre energía-tiempo tiene algo que ver con esto.

Respuestas (2)

Cuando un fotón golpea una condición límite, pueden suceder tres cosas: a) puede dispersarse elásticamente, lo que significa que retiene su frecuencia pero cambia de ángulo, b) puede dispersarse de manera inelástica, lo que significa que cambia de frecuencia, o c) puede ser absorbido elevando el nivel de energía de un electrón (en una red, en una molécula, en un átomo) y se emite un fotón diferente y se pierden fases.

P1: Si un fotón con una energía de 10,1 eV (insuficiente para excitar un electrón) chocara contra el átomo de hidrógeno, ¿qué pasaría? ¿El fotón será absorbido por el átomo e inmediatamente emitido y el fotón emitido (¿o fotones?) tendrá la misma energía de 10,1 eV? ¿O el fotón atravesará el átomo o qué pasaría?

El átomo de hidrógeno golpeado con un fotón de energía más baja que una transición de nivel de energía cae bajo a) o b) El fotón se dispersará elásticamente en el centro de masa con el átomo total y seguirá su camino en un ángulo diferente, o inelásticamente dando energía cinética a todo el átomo y cambiando de frecuencia.

P2: La misma pregunta que la anterior, en este caso nuestro fotón tiene un poco más de energía, digamos que tiene 10,3 eV. De nuevo, ¿qué pasaría? ¿Absorberá el átomo el fotón y excitará el electrón, pero dado que la energía del fotón excede la energía requerida para excitar el electrón, el átomo emitirá un fotón con 0,1 eV de energía o qué sucederá en este caso?

Si la energía extra del fotón no está dentro del ancho de energía del nivel de energía del hidrógeno, nuevamente seguirá su camino dispersándose elástica o inelásticamente en el centro de masa "átomo fotónico". Si la energía del fotón es mayor que la energía de ionización del átomo, la función de trabajo, el electrón puede ser expulsado y el ion protón permanecer. El efecto fotoeléctrico .

Uno tiene que darse cuenta de que en el nivel de la mecánica cuántica son las probabilidades las que son importantes. La probabilidad de que un fotón de la diferencia de energía correcta eleve el electrón de un átomo es muy alta, con la diferencia de energía incorrecta. muy muy pequeño

Para la interacción de materia a granel, vea esta respuesta mía aquí.

Básicamente, como entendí, hay una cosa que sabemos con certeza: si y solo si la energía del fotón es igual a la transición del nivel de energía de un átomo, se producirá la absorción. Y cuando la energía es menor o mayor, puede suceder una de 2 cosas. Y qué afectaría exactamente al fotón ir con a) ob) o es algo que no es posible determinar cuál es en realidad aún peor. Por lo que puedo entender, ¿tiene algo que ver con el átomo (molécula) en sí?
@EdwardChopuryan no es exacto pero está dentro del ancho del estado de energía. Es una cuestión de condiciones de contorno y probabilidades para el problema específico, así como también de la energía del fotón; habrá una probabilidad calculable de dispersión elástica, y otra de dispersión compton (inelástica con pérdida de energía). Lo que le sucede a un fotón específico es una cuestión de probabilidades.

Si su fotón no tiene suficiente energía para excitar al electrón, simplemente no será absorbido y pasará, y si tiene un electrón con un exceso de energía, será absorbido y un fotón con el exceso de energía se emitirá automáticamente y el electrón saltará a un estado excitado. Así que sí, en tu caso, podrías tener un fotón con 0.1   mi V de energía que corresponde a una foto con una longitud de onda de 12.4   m metro así en el infrarrojo.

No funciona tan bien. La conservación de la energía y el momento no permite la simple emisión de un segundo fotón con la diferencia de energía a menos que el átomo esté acoplado a otros átomos, por ejemplo, en un gas a alta presión. Es por eso que los átomos individuales (o gases de baja presión) tienen espectros de líneas limpias con anchos de línea naturales que son dados por el acoplamiento al vacío (despreciando el desplazamiento Doppler). No sé que hay una línea de hidrógeno con un ancho de línea natural de 0,1 eV.
Hmm sí tienes razón, no había pensado en eso. Pero entonces esta es una gran pregunta, ¿qué pasa con el 10.3   mi V ¿fotón?
Bueno, incluso el hidrógeno atómico tiene un índice de refracción muy pequeño, por lo que debe haber una pequeña cantidad de transferencia de impulso al átomo (lo que clásicamente se llamaría presión de luz), lo que significa que tenemos alguna transferencia de energía, pero no hacia el grados de libertad internos. A los efectos de la física atómica, normalmente lo ignoramos por completo. Se complica aún más por el hecho de que hay emisión estimulada y para densidades de fotones suficientemente grandes podemos tener procesos de dos fotones que mezclarán diferentes frecuencias e incluso conducirán a la fotoionización por debajo de la energía de ionización.
Parte de la razón por la que no intenté escribir una respuesta a esta pregunta es porque no sé cómo resumir la totalidad de los posibles efectos y los diferentes niveles de explicación para ellos... la física atómica llena los libros de texto durante un objetivo.
@CuriousOne Entonces, si es corto, ¿no sabemos exactamente qué sucedería con el fotón de 10.3 eV? También digamos que tenemos más de un átomo, no necesariamente el hidrógeno. ¿Qué pasaría en ese caso si la energía del fotón excede la energía requerida o es insuficiente?
@EdwardChopuryan: El hidrógeno tiene anchos de línea muy estrechos y solo cerca de esas líneas podemos obtener absorción y excitación. Los anchos de línea están dados por el acoplamiento al campo electromagnético y podemos tratarlo de forma clásica o como un campo cuántico. Mediante el uso de la electrodinámica cuántica podemos recuperar efectos como la división hiperfina. Para energías que no están cerca de estas líneas, el hidrógeno muestra, que yo sepa, muy poca actividad óptica con excepción de la dispersión elástica (es decir, tiene un índice de refracción bajo). Todo esto cambia en cuanto hablamos de densos H 2 .
@EdwardChopuryan: A nivel universitario se necesita todo un semestre para discutir los aspectos básicos de estos espectros, y luego otro semestre para sustancias diatómicas y triatómicas y los espectros de moléculas simples... y luego puedes agregar varias clases para casos especiales como Espectros ESR y NMR, espectroscopia infrarroja, espectroscopia Raman, etc. Simplemente no sé cómo discutir incluso los conceptos básicos en una respuesta, es demasiado material. Si se me permite sugerir, si desea saber estas cosas, intente leer los materiales en sitios como hiperfísica sobre física atómica.
@CuriousOne Bueno, estaba pensando que mi pregunta debería tener una respuesta simple, ¡pero supongo que es algo muy difícil y complicado! Gracias de cualquier manera.
Bueno, después de un par de días de investigaciones, descubrí que, en realidad, si el fotón que brilla sobre el átomo tiene un poco más o menos de energía que la diferencia de nivel de energía, ¡entonces el fotón pasará a través del átomo sin interactuar con él! Espero que esta sea la respuesta correcta, pero aún no estoy seguro. Tengo curiosidad por saber si esto hará que el objeto sea transparente. Si es así, supongo que no entiendo cómo funciona la refracción.
¿Puede un electrón saltar a un nivel de energía más alto si la energía es insuficiente o excede el ΔEΔE\Delta E?
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