Transiciones y fotones
¿Qué tiene que ver una escalera con átomos y electrones? Bueno, la respuesta obvia es que está hecho de átomos, que contienen electrones. Pero basta de eso, sabelotodo. También se puede utilizar como una buena metáfora para los conceptos de esta lección que involucran átomos, electrones y transiciones. Verás en un momento lo que quiero decir con eso.
La transición , o el movimiento, de un electrón entre niveles de energía, en un átomo puede ocurrir de más de una manera. Para que un electrón pase a un nivel de energía más alto, debe absorber energía, al igual que se necesita energía para levantar un cohete hacia el cielo o para levantar un peso pesado por encima de su cabeza.
Si un átomo choca con otro átomo, ion o electrón, el átomo puede excitarse. Un átomo excitado es un átomo donde un electrón se ha movido de un nivel de energía más bajo a uno más alto. ¿Sabes que cuando dos jugadores de fútbol chocan con fuerza, parece que el casco les salta de la cabeza? Bueno, una colisión también puede proporcionar suficiente energía para que un electrón salte de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto.
Otra forma en que un átomo puede excitarse es absorbiendo un fotón , un pequeño haz de radiación electromagnética. La radiación electromagnética , o luz, es una forma de energía que tiene propiedades onduladas. Por tanto, la energía de un fotón depende de su longitud de onda; cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la energía.
Un átomo solo puede absorber fotones de longitudes de onda específicas. Básicamente, el fotón es como una bebida energética para un pequeño electrón, dándole más zumbido para saltar más alto a un nivel de energía más alto.
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Pero al igual que las personas pueden tener preferencia por una bebida energética a otra, los átomos tienen preferencias por los tipos de fotones que pueden absorber. Solo se pueden absorber fotones con energías iguales a la diferencia de energía entre dos niveles de energía en un átomo específico. Esto significa que los electrones solo pueden ocupar ciertos niveles de energía permitidos; no hay niveles de energía intermedios.
En consecuencia, cuando el tipo correcto de fotón golpea un átomo, se absorbe y el electrón salta a un nivel de energía más alto. Dado que los átomos tienen muchos niveles de energía, dependiendo de qué tan energético sea este fotón, el electrón puede subir uno o más niveles de energía. Todo esto también significa que más de una longitud de onda de luz puede ser absorbida por un solo átomo para hacer que un electrón salte a un nivel de energía más alto.
Fotones y espectros
Si un espectro continuo de fotones (una disposición completa de colores) brilla sobre un grupo de átomos idénticos, estos átomos, como esponjas, absorberán comprensiblemente solo ciertos tipos de fotones del espectro continuo. Cuando esto sucede, se producirá un espectro de líneas de absorción. Debido a que una longitud de onda de luz absorbida elimina un color del espectro continuo original, el espectro de absorción resultante también se denomina espectro de línea oscura.
Sin embargo, los átomos excitados no pueden permanecer excitados por mucho tiempo, por lo que el electrón debe eventualmente saltar a un nivel de energía más bajo. Al hacerlo, el electrón emite un fotón con energía (y por lo tanto longitud de onda) igual a la diferencia en los niveles de energía entre los dos niveles entre los que salta el electrón. Los fotones que se emiten de esta manera forman líneas de colores brillantes sobre un fondo oscuro. Estos se conocen como espectros de línea brillante o de línea de emisión.
El ejemplo de la escalera
Permítanme intentar poner todos los confusos conceptos básicos de esta lección en una metáfora más simple. Supongamos que eres un electrón. Un fotón de una energía (o longitud de onda) específica puede ser como una bebida energética específica. Los niveles de energía pueden ser como los escalones de una escalera en su hogar.
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Ahora se encuentra en el último escalón, el nivel de energía más bajo posible en el átomo. Tienes a tu lado algunas bebidas energéticas con diferentes concentraciones. Sabes que para saltar desde el último escalón hacia arriba, necesitas energía. Un poco de energía para saltar al segundo escalón, pero mucha más energía para saltar desde abajo hasta el tercer escalón de una sola vez.
Bien, ahora toma un sorbo de la primera bebida energética. No te muevas. Por qué no? Es porque esa bebida no le proporcionó la cantidad justa de energía para hacer la transición entre dos pasos. Solo puedes saltar a un escalón completo. No puede saltar a un cuarto o medio paso; tal cosa no existe en la escalera.
Entonces, si la bebida no te da exactamente la cantidad correcta de energía para dar un paso sólido, no vas a saltar a nada, ¿verdad? ¡Por supuesto no! Te estrellarás y te quemarás si haces eso.
Bien, ahora toma un sorbo de una segunda bebida energética. ¡Auge! Saltas al tercer paso. Bien hecho. Esa bebida te dio la cantidad justa de energía para hacerlo. Eso significa que se absorbió un fotón de una longitud de onda específica.
Pero a nadie le gusta estar parado en un escalón de una escalera por mucho tiempo. Entonces, saltas un escalón, a un nivel de energía más bajo. Al aterrizar de su salto, emite un fotón.
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Átomos de hidrógeno
Transiciones como esta que ocurren en el átomo de hidrógeno, el átomo más abundante del universo, se pueden agrupar en series bien conocidas, incluidas la serie Lyman, la serie Balmer y la serie Paschen.
Las flechas que apuntan hacia arriba en la imagen de su pantalla representan la absorción de energía.
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Las flechas que apuntan hacia abajo representan la emisión de energía. Las flechas más largas representan mayores cantidades de energía que las flechas más cortas. Esto significa que las flechas más largas representan fotones de longitud de onda más corta.
Sabiendo esto, echemos un vistazo a la serie Lyman, que comienza en el estado fundamental del átomo (o nivel de energía 1). Son flechas largas y representan la parte ultravioleta de longitud de onda más corta del espectro, una que es invisible para el ojo humano.
La serie Balmer son las flechas más cortas que comienzan en el segundo nivel de energía y representan energías más bajas y longitudes de onda más largas. Las tres líneas de Balmer de longitud de onda más larga son visibles para el ojo humano.
Incluso más cortas que la serie Balmer son las series Paschen, comenzando en el nivel 3. Tienen energías más bajas que la serie Balmer y, por lo tanto, longitudes de onda incluso más largas. Por lo tanto, caen en la longitud de onda más larga e invisibles para el ojo humano, la parte infrarroja del espectro.
Resumen de la lección
La transición , o el movimiento, de un electrón entre niveles de energía puede ocurrir gracias a la absorción o emisión de un fotón , un pequeño haz de radiación electromagnética. La radiación electromagnética , o luz, es una forma de energía que tiene propiedades onduladas.
La energía de un fotón depende de su longitud de onda; cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la energía. Recuerde, solo los fotones de longitudes de onda específicas pueden ser absorbidos por un átomo. Por lo tanto, si un espectro continuo de fotones brilla sobre un grupo de los mismos átomos, solo absorberán tipos específicos de fotones. Esto eliminará estos fotones del espectro continuo, lo que dará como resultado un espectro de absorción, que tiene líneas oscuras que representan las longitudes de onda que fueron absorbidas.
Dado que los átomos excitados no pueden excitarse por mucho tiempo, los electrones saltan a un nivel de energía más bajo, y cuando esto ocurre, el electrón emite un fotón con energía (y por lo tanto, longitud de onda) igual a la diferencia de niveles de energía entre los dos niveles el electrón salta en el medio. Esto significa que se produce un espectro de líneas de emisión, uno que tiene líneas brillantes que representan la longitud de onda emitida, yuxtapuestas contra un fondo oscuro.
Las transiciones en el átomo de hidrógeno se pueden agrupar en muchas series, incluida la serie Lyman, que representa longitudes de onda ultravioleta invisibles; la serie Balmer, que incluye algunas longitudes de onda de luz visible; y la serie Paschen, que representa longitudes de onda infrarrojas.
Los resultados del aprendizaje
Después de esta lección, debería tener la capacidad de:
- Definir radiación de transición, fotón y electromagnética
- Describe la relación entre la longitud de onda y la energía.
- Diferenciar entre un espectro de absorción y un espectro de línea de emisión
- Explica tres series de transiciones en el átomo de hidrógeno.
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