(Q-3) Niveles Atómicos de Energía.
Frequencia ν y Longitud de Onda λImagine una onda electromagnética continua con una frecuencia ν emitida durante un segundo. Esta cubre una distancia de c metros, en donde c metros/seg es la velocidad de la luz, y dicha distancia contiene ν ondas. Cada onda, por lo tanto, ocupa una "longitud de onda": Obviamente, la frecuencia ν es proporcional a la cantidad 1/λ que aparece en la fómula de Balmer. Aún cuando λ es más fácilmente medida en el laboratorio, la Fórmula de Balmer propone que dicha frecuencia ν puede tener más sentido en un aspecto físico. Posteriormente, la frecuencia ν también apareció en la fórmula de Einstein E = hν. ¿Qué significaba todo esto? Niveles de Energía.Mucha gente ayudó a interpretar ese mensaje, y la historia mencionada aquí está muy resumida. La cimentación era la fómula de Einstein, descubierta en 1905.
Esta sugería que una onda electromagnética dada desprendía su energía en paquetes definidos ("fotones"), y que el tamaño de dichos paquetes era proporcional a la frecuencia ν de una onda electromagnética (ν es la letra Griega "nu"; la letra "f" se usa también en algunas ocasiones). Uno de los primeros interpretadores de la fórmula de Balmer fue un joven físico Danés llamado Niels Bohr, en 1913. Antes de esto, Bohr era un miembro distinguido del equipo nacional de futbol Soccer de Dinamarca, aunque, supuestamente, la verdadera estrella del equipo era su hermano Harald Bohr, quien posteriormente se distingió en matemáticas. Examinando la fórmula de Balmer y también el principio de combinación de Ritz (vea más abajo), Bohr sugirió que los átomos podrían existir (tal vez por poco tiempo) solo en ciertos niveles de energía, y la luz era emitida solamente cuando un átomo descendía de algún nivel más alto a uno menor.
El átomo de hidrógeno, por ejemplo, tenía niveles de energía:
Cuando descendía de un nivel alto de energía (n grande) hacia uno de menor energía (n pequeña), de acuerdo a la fórmula de Balmer, junto con la fórmula de Einstein, la energía de un fotón emitido era exactamente la cantidad de energía desprendida de acuerdo a:
El Principio de Combinación de Ritz.En 1908 Ritz encontró que la fórmula de Balmer era solo un ejemplo prominente de un fenómeno más amplio, una "línea espectral" emitida por un gas caliente. Si uno formaba diferencias entre los valores de (1 / λ) en pares de líneas espectrales de algun átomo, algunas veces dos pares diferentes daban la misma diferencia. Eso significaba, por supuesto, que las diferencias en frecuencia (c / λ) también concordaban (c es la velocidad de la luz).
Suponga que una línea espectral, de frecuencia ν1 era el resultado de un brinco de energía A a energía B, y otra línea, de frecuencia ν2, se originaba por un brinco de energía C a energía D. Entonces:
En tales átomos, puede tal vez ser posible que las transiciones también
ocurran de A a C, y desde B a D, ocasionando las emisiones de fotones
con frecuencias ν3 y ν4. En dichos casos:
Si tales transiciones son posibles, entonces (como puede ser comprobado):
Como se vió con anterioridad, las longitudes de onda de las líneas espectrales (y por lo tanto sus frecuencias) se podían establecer con una precisión muy grande. Si tales igualdades, como la escrita arriba, ocurrían por casualidad, ellas deberían ser bastante raras. Ritz y otros encontraron diferencias concordantes (de varios tipos) que prevalecían, y eso soportaba la idea que los átomos podrían existir (por lo menos por un corto tiempo) en diferentes niveles de energía. Más Respecto a Niveles Atómicos de Energía.Si a los átomos se les deja sin perturbar, usualmente caen al siguiente nivel de energía inferior disponible y se quedan allí, en su "estado estable." Ocasionalmente, sin embargo, ellos también pueden ser empujados hacia algún nivel superior de energía ("se excitan"), como por ejemplo en una colisión con un átomo o electrón rápidos, uno que obtuvo una velocidad adicional debido a un voltaje eléctrico o una fuente de calor. Un átomo elevado a uno de sus niveles superiores "niveles excitados" pronto cae de nuevo a un nivel inferior ("experimenta un salto cuántico"), emitiendo un fotón cuya energía corresponde a la diferencia entre los niveles. Ese no necesita ser el estado estable: el átomo puede descender a dicho estado en varios pasos, emitiendo un fotón en cada paso.Usualmente tal regreso ocurre muy rápidamente -en nanosegundos, probablemente- pero no siempre. Los colores rojos y verdes de la aurora polar son emitidos en longitudes de onda bien definidos, los cuales no pudieron ser comparados durante mucho tiempo con cualquier cosa observada en el laboratorio. Al final se observó que eran inusuales niveles excitados del átomo de oxígeno. En un oxígeno denso, por ejemplo en fuentes de luz de laboratorio, la energía adicional es rápidamente removida durante las colisiones, pero en la atmósfera alta, donde las colisiones son poco frecuentes, los estados excitados pueden persistir durante 0.5 a 1 segundos, hasta que un fotón rojo o verde es emitido y desprende la energía. La larga vida de estos niveles explica el desvanecimiento gradual y el abrillantamiento de los rayos de los cuales las "cortinas" de la aurora están hechos, un espectáculo visual fascinante, un poco parecido al abrillantamiento y desvanecimiento de las llamas en una chimenea. Cada rayo es creado por un haz de electrones guiados a lo largo de una línea de campo magnético. El principio de combinación de Ritz permitió a los físicos traducir la maraña de líneas espectrales observadas en un esquema más ordenado (y más pequeño) de niveles de energía. Basado en el entendimiento fundado en la teoría cuántica del átomo (vea más abajo), tal nivel puede ser agrupado en diferentes familias, las cuales tienen sentido, y varias preguntas pueden ser tratadas, por ejemplo, ¿porqué existen ciertas transiciones, mientras otras parecen "prohibidas", aún cuando también de ellas se espera que desprendan energía? Una pregunta era, ¿porqué los niveles algunas veces se dividen en dos o más, estrechamente separados? Por ejemplo, la luz amarilla del sodio en realidad contiene dos longitudes de onda estrechamente espaciadas. Un efecto parecido era la división de una sola longitud de onda espectral en varias cercanamente espaciadas, cuando la luz era emitida desde la región de un fuerte campo magnético. Este es el efecto Zeeman, descubierto en 1896 por el holandés Pieter Zeeman, y la separación de las longitudes de onda generalmente dan una indicación de la fuerza del campo magnético en la región de la fuente de luz. Fue la división Zeeman de las líneas espectrales emitidas por las manchas solares que condujo a George Ellery Hale en 1908 a darse cuenta que las manchas solares estaban en realidad fuertemente magnetizadas, hasta 1500 gauss, aproximadamente (0.5 Tesla). Los núcleos radiactivos emiten rayos gamma (rayos γ), fotones con energías aproximadamente de un millón de veces mayores que aquellas de los átomos. Tomó algún tiempo medir su longitud de onda con cualquier precisión, pero por 1949 se cayó en la cuenta que ellos también mostraban el principio de Ritz. Eso confimaba la gran sospecha de que los núcleos también tenían niveles de energía, y que las transiciones asociadas eran la fuente de rayos gamma. |
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Autor y Curador: Dr. David P. Stern |