Cómo interactúan la luz y la materia

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Luz y Materia

Si pudieras agradecer dos cosas por tu existencia, ¿a qué oa quién agradecerías? Si eres biólogo, probablemente agradecerás a mamá y papá. Si eres químico, probablemente agradecerás al carbono y al agua. Si eres físico o astrónomo, te inclinarás ante la luz y la materia.

No podría ver la pantalla en este momento, ni existiría, si la luz y la materia no interactuaran, y aunque los puntos de esta lección no son un asunto sencillo, ciertamente intentaré hacérselo fácil mientras revisamos. los fundamentos de cómo interactúan estas dos cosas.

Energía vinculante y niveles de energía

La materia está compuesta de átomos. Esta lección utilizará el átomo de hidrógeno como su ejemplo principal, no solo porque es más simple sino también porque aproximadamente el 90 por ciento de los átomos del universo son átomos de hidrógeno.

La órbita de un electrón en un átomo es en realidad una representación de una cierta cantidad de energía de enlace. La energía de enlace es la cantidad de energía necesaria para alejar un electrón de un átomo. Entonces, si la órbita de un electrón está cerca del núcleo del átomo, que alberga los protones y neutrones, se dice que está estrechamente unido y, por lo tanto, se necesita más energía para arrancarlo del átomo, al igual que se necesita mucha más energía para separe un nudo bien enrollado. Si la órbita de un electrón está lejos del núcleo, entonces tiene una energía de enlace menor.

Como resultado de todo esto, las órbitas se conocen técnicamente como niveles de energía , uno de un cierto número de estados de energía que un electrón puede ocupar en un átomo, donde diferentes niveles de energía están relacionados con diferentes distancias de un electrón al núcleo de un átomo.

El nivel de energía de electrones más bajo posible, como la órbita más pequeña y unida más estrechamente, se llama estado fundamental , y cada átomo tiene un conjunto único de estos niveles de energía. Pero los electrones no están aprisionados en un nivel de energía. Puede mover un electrón de un nivel de energía a otro con una sacudida de energía. La energía que necesitaría suministrar para este movimiento debería compensar la diferencia entre los dos niveles de energía en cuestión.

Es como subir un tramo de escaleras con un gran peso. La parte inferior de la escalera es como el estado fundamental. A partir de ahí, si quisiera subir un nivel de energía con el peso (un paso), necesitaría un suministro de energía para que sus músculos se muevan hacia arriba. Con cada paso, más y más lejos del nivel de energía original, necesitará suministrar más y más energía para pasar a un paso más alto, un nivel de energía más alto.

Átomos y fotones emocionados

Como un fan excitado durante un juego salta de su asiento, un átomo donde un electrón se ha movido de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto se dice que es un átomo excitado .

Los átomos pueden excitarse por más de una razón. Si dos átomos chocan, sus electrones pueden simplemente ser golpeados a un nivel de energía más alto. Esto sucede comúnmente en gases calientes donde los átomos zumban como locos y se encuentran constantemente entre sí. Otra forma en que un átomo puede excitarse tiene que ver con la luz. Si un átomo absorbe un fotón , un paquete de ondas electromagnéticas que tienen una energía específica, podría excitarse.

Digo que ‘podría’ emocionarse por una razón. Solo un fotón con la cantidad justa de energía puede excitar un átomo. Si hay demasiada o muy poca energía proporcionada por un fotón, el átomo no puede absorber el fotón y el átomo no se excitará.

Fundamentalmente, la energía de un fotón depende de su longitud de onda. Como resultado, solo ciertas longitudes de onda de fotones son absorbidas por un átomo dado. Los fotones de longitud de onda más corta transportan más energía que los fotones de longitud de onda más larga. Como se muestra en la pantalla, esto significa que un fotón de longitud de onda más corta puede mover un electrón a un nivel de energía más alto que un fotón de longitud de onda más larga. De la misma manera, dado que un átomo tiene muchos niveles de energía, se pueden absorber fotones de muchas longitudes de onda diferentes.

Pero como un fan emocionado no permanece emocionado por mucho tiempo y se vuelve a sentar en su silla, un átomo emocionado no puede permanecer emocionado ad infinitum. Eso es porque un estado excitado es inestable y al átomo no le gusta eso. Entonces, para volver a un estado de normalidad, el átomo liberará la energía que absorbió y el electrón regresará a un nivel de energía más bajo. Cuando esto sucede, el átomo emite su exceso de energía como un fotón con una longitud de onda que corresponde a la diferencia de energía entre los niveles desde los que salta y hacia los que salta.

Este proceso ayuda a los físicos y astrónomos a descubrir la composición química de un gas identificando las longitudes de onda de la luz que son absorbidas y emitidas por ese gas. Dado que cada átomo tiene un conjunto único de niveles de energía, solo absorbe y emite ciertas longitudes de onda de luz, y esas longitudes de onda son como una huella digital única para cada tipo de átomo en el gas.

Sin embargo, las cosas no son tan simples como puede implicar esta lección. Recuerde, no es un asunto ligero. Otra lección le explicará cómo la temperatura influye en la capacidad de un astrónomo para descubrir la composición química de una estrella.

Resumen de la lección

Una estrella está hecha de gas. Ese gas está hecho de átomos. Esos átomos están hechos de protones, neutrones y electrones.

Los electrones que orbitan alrededor del núcleo, que alberga los protones y neutrones, lo hacen a niveles de energía establecidos o permitidos , uno de un cierto número de estados de energía que un electrón puede ocupar en un átomo. El nivel de energía de electrones más bajo posible se denomina estado fundamental . Cuanto menor sea el nivel de energía, mayor será la energía de enlace. La energía de enlace es la cantidad de energía necesaria para alejar un electrón de un átomo.

Los electrones pueden moverse de un nivel de energía a otro con una sacudida de energía, por colisión o absorbiendo un fotón. Un fotón es un paquete de ondas electromagnéticas que tienen una energía específica. Un átomo que absorbe un fotón con la cantidad exacta de energía se excitará.

Un átomo excitado es un átomo donde un electrón se ha movido de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto, pero este átomo no puede permanecer excitado para siempre y el electrón volverá a un nivel de energía más bajo cuando emite un fotón.

Dado que cada átomo tiene un conjunto único de numerosos niveles de energía permitidos y, en consecuencia, más de una longitud de onda que puede absorber y emitir, el tipo de luz absorbida o emitida por un gas puede indicar a un astrónomo la composición química de ese gas.

Los resultados del aprendizaje

Al final del video, su objetivo debe ser:

  • Revise cómo interactúan la luz y la materia
  • Discutir la energía vinculante y los niveles de energía.
  • Discutir cómo se forman los átomos excitados