¿Por qué el electrón es inestable a niveles de energía más altos? ¿Cómo pierde energía mientras regresa a su estado fundamental?

En general, la desintegración de un átomo en un estado excitado debe ir acompañada de la excitación de algún otro sistema de manera que se conserve la energía. En un cristal, a menudo se trata de vibraciones de red cristalina, conocidas como fonones. En forma aislada, esto se debe a la emisión de un fotón. El caso del átomo aislado es el más simple de considerar y el resto de mi respuesta abordará este caso.

La respuesta técnica (jerga mecánica cuántica) es que los estados atómicos excitados no son estados propios del sistema Hamiltoniano completo. Si un sistema no está en un estado propio, el operador hamiltoniano describe su evolución temporal de acuerdo con la ecuación de Schroedinger.

Curiosamente, el hecho de que un átomo excitado se desintegra emitiendo un fotón es evidencia de la naturaleza cuántica de la luz.

Los niveles de energía de un átomo se calculan utilizando la mecánica cuántica en el caso de que el átomo esté aislado del mundo que lo rodea. Los niveles se denominan estados propios del átomo, pero eso significa solo el átomo aislado, sin tener en cuenta el campo electromagnético. Si el campo en sí mismo fuera clásico, entonces puede tener amplitud cero. En ese caso, se podría realizar un átomo completamente aislado y los estados excitados serían estables.

Sin embargo, cuando cuantizamos el campo electromagnético, hay una fluctuación cuántica de vacío, lo que significa que el campo nunca puede realmente llegar a cero, o más precisamente, el acoplamiento del átomo al campo no llega a cero. En este modelo de campo atómico acoplado, los estados excitados del átomo ya no son estados propios del Hamiltoniano completo. Esto significa que un estado excitado evolucionará en el tiempo, lo que corresponde a la emisión de un fotón.

Así, la teoría cuántica de la luz explica la emisión espontánea de fotones por los átomos excitados. Un átomo excitado decae a su estado fundamental por la emisión de un fotón. La energía perdida por el átomo es arrastrada por el fotón, de modo que la energía se conserva en el proceso.

Curiosamente, en realidad es posible cambiar el vacío cuántico alrededor del átomo utilizando las llamadas cavidades (generalmente formadas por dos espejos). En este caso, es posible modificar la interacción del átomo con el campo electromagnético de tal manera que sea posible acelerar o ralentizar la emisión del fotón. Esto se llama el efecto Purcell. Con cavidades muy buenas, incluso es posible inhibir por completo la interacción con el campo electromagnético de modo que los estados excitados se vuelvan estables (o aproximadamente).

Si quiere decir, por qué los niveles de energía más altos son inestables, la respuesta corta es que por sí mismos no lo son. El problema es que hay niveles subyacentes que también son estables. Piense en jugar con niños y construir una torre de bloques. La torre puede llegar a cualquier altura, pero a medida que aumenta, es más probable que las vibraciones la derriben. El problema con un estado excitado es que hay invariablemente otras interacciones electromagnéticas que lo empujan, y para empeorar las cosas, existe el Principio de Incertidumbre, que podría darle temporalmente propiedades dinámicas instantáneas inconsistentes con el nivel en el que se supone que está. Una vez que La dinámica del electrón conduce a que la periodicidad no sea exactamente compatible con el estado, seguirá la teoría de Maxwell y determinará el proceso de emisión de radiación electromagnética, y desde entonces no puede volver a donde estaba porque ya no tiene la energía. Incluso una pequeña caída de energía significa el final de ese nivel. Puedes pensar en estas incertidumbres e interacciones como las vibraciones impuestas en la torre de bloques.

Si puede amortiguar las vibraciones, su torre puede durar indefinidamente. Lo mismo sucede con los estados excitados. Puede mantenerlos en ese estado si se asegura de que las fases de onda permanezcan constantes, y eso se ha hecho para un estado de litio muy excitado con energía de microondas que proporciona el tampón. Si está interesado, vea Maeda, H., Norum, DUL, Gallagher, TF 2005. Manipulación por microondas de un electrón atómico en una órbita clásica. Science 307 : 1757-60.

Por una razón muy similar, una taza de té es inestable cuando la “coloca” en el aire (a un nivel de energía más alto) y cae a un nivel de energía más bajo (al piso). Las cosas que se dejan solas intentan minimizar su energía potencial. Lo mismo vale para un electrón en un átomo, si puede tener una energía potencial más baja y otras leyes de la física no le prohíben moverse a ese estado, lo hará.

Por supuesto, la conservación de energía le dice que la energía potencial perdida debe ir a algún lado (y no violar otras leyes de conservación; por ejemplo, no puede cambiar esa energía potencial en energía cinética de todo el átomo, porque violaría la conservación del momento). Por lo general, el electrón pierde la energía por el medio más simple que tiene a su disposición: emite un fotón. Pero también son posibles otras formas, el electrón puede, por ejemplo, transferir su energía a otro electrón (en el mismo u otro átomo).

En términos de Física MC, los electrones (más específicamente su componente de carga única de tipo de carga negativa, C1) que están más cerca / tocan (R> 0) los componentes de carga única de tipo de carga positiva (C2) muy fuertes en los protones del núcleo (z> 5 alto debido al espacio expandido) tienen la fuerza de unión electrostática más fuerte (F), según la Ley de Coulomb modificada (F = C1 * C2 / R ^ z) con bajas vibraciones independientes (es decir, energía cinética, KE) en relación con la núcleo.

Por el contrario, los electrones externos (y / o componentes, C1) que están más lejos (R mayor en distancia) de las (múltiples) cargas de protones con carga positiva fuerte (espacio expandido C2, Z> 5) tienen menos fuerza de unión electrostática y vibraciones más altas (KE más altas) que son más independientes de los núcleos. Puede llamar a este electrón “más inestable”, ya que se necesita menos KE externo para que el átomo lo emita.

En mecánica cuántica, el Principio Totalitario de Gell-Mann establece: “Todo lo que no está prohibido es obligatorio”. Cualquier posible interacción que no viole alguna ley de conservación, ocurre con cierta probabilidad. Los electrones pueden emitir fotones y perder energía, siempre que el estado de menor energía no esté lleno de otro electrón. Entonces, siempre que el electrón esté en un estado de energía más alto y haya un lugar para que vaya en un estado de energía más bajo y libere la diferencia de energía como un fotón, lo hace.

Puede estar pensando que el estado superior es un estado estable. Uno debe saber que la ecuación de Shrodinger no es toda la historia. En realidad, el electrón puede estar acoplado con un campo electromagnético externo, hay fotones alrededor. Incluso sin fotones alrededor, existe una emisión espontánea que resulta del acoplamiento con el vacío del campo electromagnético.