¿Qué le sucede a un electrón en una molécula una vez que ha absorbido un fotón y ha hecho la transición?

En el caso general, un nivel excitado caerá espontáneamente a un nivel más bajo, o incluso caerá en cascada si existe un nivel apropiado en el medio. Cada nivel de la mecánica cuántica tiene un ancho que viene dado por su probabilidad de absorber un electrón si está vacío o de emitirlo si está lleno.

Estudiar cómo se fabrican los láseres, que necesitan un nivel superpoblado que necesita un disparador para pasar a una energía más baja, es esclarecedor:

El logro de una inversión significativa de la población en estados de energía atómica o molecular es una condición previa para la acción del láser. Los electrones normalmente residirán en el estado de energía más bajo disponible. Pueden elevarse a estados excitados por absorción, pero no se puede acumular una colección significativa de electrones solo por absorción, ya que tanto la emisión espontánea como la emisión estimulada los harán bajar.

No se puede lograr una inversión de población con solo dos niveles porque la probabilidad de absorción y de emisión espontánea es exactamente la misma, como lo muestra Einstein y se expresa en los coeficientes A y B de Einstein. El tiempo de vida de un estado excitado típico es de aproximadamente 10 a 8 segundos, por lo que en términos prácticos, los electrones vuelven a caer por emisión de fotones tan rápido como puede bombearlos hasta el nivel superior.

Los rayos láser necesitan una construcción cuidadosa, como puede ver en este enlace .

Los estados electrónicos de una molécula son funciones propias de la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo (con algunas aproximaciones como la aproximación de Born-Oppenheimer ). Esto significa que esos estados son independientes del tiempo, por lo que un estado fundamental nunca se elevará a un estado excitado y un estado excitado nunca volverá a decaer a un estado fundamental.

Sin embargo, en presencia de un fotón, también tenemos el campo eléctrico oscilante del fotón, y esto agrega un nuevo término a la ecuación de Schrödinger, por lo que los estados fundamental y primero excitado ya no son funciones propias y pueden mezclarse. Entonces, el sistema combinado del estado fundamental más un fotón tiene una proporción del estado excitado mezclado, y esto significa que existe la probabilidad de que cuando observemos la molécula encontremos que está en estado excitado.

Podemos calcular esta probabilidad usando la teoría de perturbaciones, y la ecuación se llama la regla de oro de Fermi . Hacer este cálculo nos dice qué tan probable es que el fotón promueva el átomo al estado excitado, y encontraremos que esto depende de la energía del fotón y la probabilidad es alta solo cuando la energía del fotón coincide con la diferencia de energía entre los estados.

Este cálculo es igual cuando se hace a la inversa. Si comenzamos con el estado excitado, podemos calcular la probabilidad de que evolucione de nuevo al estado fundamental más un fotón, y esto nos da la vida útil del estado excitado. Este proceso de descomposición es la emisión espontánea que mencionaste en tu pregunta. Ocurre porque el estado excitado contiene una proporción del estado mixto suelo+fotón.

En los estados excitados, los electrones no se mantienen constantes. Fluctúan constantemente; sin embargo, esta fluctuación no es suficiente para volver al estado fundamental. Hay efectos externos que interactúan con nuestro electrón excitado. Como los rayos cósmicos de fondo. Cuando las ondas de fondo cósmicas tocan los estados excitados, los electrones vuelven a su estado fundamental. Esta situación también responde al significado del principio de incertidumbre del tiempo de la energía.$\Delta E \Delta t \ge \hbar/2$. Desde$\Delta E$no puede ser cero ya que hay una fluctuación, entonces$\Delta t$no es infinito. Pero en el estado fundamental donde no existe la fluctuación, el electrón puede permanecer con infinito$\Delta t$

No hay medios experimentales por los que puedas hacer que un átomo "absorba un fotón... haciendo la transición a un estado de energía superior". Lo que puede hacer es encender una luz sobre los átomos y medir la intensidad de la luz dispersada. Ese es el ÚNICO experimento que se ha hecho que aborda el tema de esta pregunta. La noción de que la luz dispersada (que se puede medir) es el resultado de que algunos de esos átomos "absorben fotones", "hacen una transición a estados de mayor energía" y "hacen una transición (de vuelta) a estados de menor energía (a través de) emisión espontánea". ..esos son todos los constructos teóricos que fluyen de ciertas interpretaciones de la teoría cuántica. Nunca han sido observados directamente y no pueden ser observados directamente.

Hay otra forma de analizar este experimento sin recurrir a la noción de fotones. Puede considerar que el electrón en el átomo es un oscilador armónico, cuya constante k (resorte) se calcula fácilmente a partir de la ecuación de Schroedinger. Puede convertir la intensidad de la luz incidente en un campo eléctrico oscilante. Puede aplicar la mecánica clásica al campo oscilante y al oscilador armónico cargado para calcular la magnitud de la oscilación. Y luego puede usar la teoría de antena clásica para calcular la dispersión resultante.

Si hace todo eso (y lo hace correctamente), obtendrá la respuesta correcta para la radiación dispersa. Obtendrá el mismo resultado que observa por experimento. Obtendrás la respuesta correcta. No es necesario hablar de absorción de fotones y emisión espontánea.

Por cierto, si me equivoco acerca de la noción de que obtienes la respuesta correcta, ciertamente NO me equivoco sobre el hecho de que puedes hacer el cálculo que describí anteriormente. Antes de que alguien rechace mi respuesta, deberían hacer el cálculo para, digamos, el átomo de hidrógeno, y mostrarme que obtienen una respuesta diferente a la del experimento.

Puede ver algunos de mis cálculos sobre esto a través de los enlaces incluidos en mi publicación de blog, " No hay lanzaguisantes para fotones ".