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¿Qué es el nivel de energía de un átomo? – Definición y ecuación

Publicado el 16 septiembre, 2020

El modelo atómico de Bohr: niveles de energía de los electrones

A principios de este siglo, ya se sabía que los átomos estaban formados por protones en el centro (el núcleo) y electrones que orbitaban a su alrededor. Más tarde, los científicos se dieron cuenta de que la luz emitida por un tipo particular de átomo se producía en frecuencias específicas. Es decir, la luz emitida por una colección de átomos en fase gaseosa solo podría ser de ciertos colores. Para explicar esta observación, Niels Bohr propuso que los electrones dentro de un átomo ocupan solo ciertos orbitales permitidos con una energía específica. En otras palabras, la energía de un electrón en un átomo no es continua, sino “cuantificada”. Las energías correspondientes a cada uno de los orbitales permitidos se denominan niveles de energía .

Para entender esto mejor, piense en una estantería. Cada estante contiene libros al igual que cada posible orbital en un átomo contiene electrones. Cada estante es diferente de los demás al igual que cada orbital representa diferentes niveles de energía para los electrones. Un electrón no puede tener un valor energético a mitad de camino entre dos niveles de energía en un átomo. Del mismo modo, un libro no se puede colocar a medio camino entre estantes consecutivos. Solo se puede colocar dentro de un estante.

Cada nivel de energía está etiquetado con el número cuántico n (n = 1, 2, 3, …) y la energía de un nivel en particular se puede determinar mediante lo siguiente:

En = -Rh (1 / n ^ 2)

Aquí es donde Rh es la constante de Rydberg del elemento. Para el átomo más sencillo, el átomo de hidrógeno, Rh = 2,18 * 10 ^ -18 J .

Emisión de luz y transiciones entre niveles de energía

Los electrones de los átomos individuales se pueden excitar desde un estado de menor energía a un estado de mayor energía, como se muestra en la imagen a continuación. Esto sucede, por ejemplo, cuando se aplica un alto voltaje a través de una colección de átomos en la fase gaseosa. Sin embargo, los electrones tienden a evitar los estados excitados, por lo que después de un corto tiempo pasan a un estado de menor energía llamado relajación. Debido a que se absorbió energía para excitar el electrón, la energía debe emitirse después de que el electrón pasa a su estado inicial. Luego, la energía se libera en forma de luz (ondas electromagnéticas). La diferencia de energía entre los dos niveles de energía involucrados en la transición define el color de la luz emitida por los átomos. Cada color de luz tiene una energía y una frecuencia particulares.

Alta tensión aplicada a un tubo de gas que contiene átomos individuales.  Los electrones en los átomos se excitan a niveles de energía más altos.  Cuando los electrones se relajan a niveles de energía más bajos, se emite luz.

La energía de la luz emitida por una transición particular se puede calcular de la siguiente manera:

energía de emisión

Aquí es donde nf y ni son el estado final e inicial respectivamente. Observe que si la transición pasa de un nivel de energía más alto a uno más bajo, el cambio de energía es negativo (pérdida de energía). Si la transición es de un nivel de energía más bajo a uno más alto, el cambio de energía es positivo (la energía debe ser absorbida por el átomo).

Espectros de emisión de diferentes elementos

La siguiente imagen muestra un diagrama de energía que muestra posibles transiciones entre los primeros siete niveles de energía en el átomo de hidrógeno. Cada serie de transiciones lleva el nombre del científico que las descubrió. Los diferentes elementos tienen diferentes valores de energía asociados a cada nivel. Debido a esto, las posibles transiciones de cada elemento corresponden a diferentes energías y frecuencias de luz. La combinación de frecuencias que emite un elemento se llama espectros de emisión . El espectro de emisión de cada elemento es único, al igual que las huellas dactilares son únicas para cada persona. Se usa para identificar elementos desconocidos, ya que las huellas digitales se usan para identificar quién es una persona.

Posibles transiciones entre los primeros siete niveles de energía en un átomo de hidrógeno.  Cada elemento de la tabla periódica tenía diferentes valores de energía para cada uno de sus niveles.  Las posibles frecuencias de luz emitidas por cada elemento son diferentes.

Resumen de la lección

Los niveles de energía dentro de un átomo son las energías específicas que los electrones pueden tener cuando ocupan orbitales específicos. Los electrones pueden excitarse a niveles de energía más altos al absorber energía del entorno. La luz se emite cuando un electrón se relaja de un estado de alta energía a uno más bajo. Cada elemento tiene un espectro de emisión de luz único que se puede utilizar como una forma de identificar el elemento.

Términos y definiciones principales

energylevelatom

Condiciones Definiciones
Niveles de energía las energías correspondientes a cada uno de los orbitales permitidos
Número cuántico determina la energía de cada nivel de energía particular
Los espectros de emisión la combinación de frecuencias que emite un elemento

Los resultados del aprendizaje

Cuando termine la lección, podrá responder la pregunta del título y:

  • Discutir el modelo de Bohr del átomo
  • Calcula la energía de la luz emitida por una transición.
  • Reconocer el propósito de un espectro de emisión.

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