Principio de absorción y de emisión atómica

La naturaleza de la luz

La luz es la única información que los científicos tienen a su disposición para entender el mundo que nos rodea. A través de los siglos, observando la luz solar, los científicos han hecho "hablar" de luz.
Ya en 1670, Isaac Newton mira la luz blanca del Sol a través de un prisma de vidrio y se da cuenta que el haz de luz está descompone. Él cree que la luz está compuesta de partículas.
En 1676, Ole Christensen Romer (1644-1681) determina la velocidad de la luz mediante la observación de las lunas de Júpiter.
En 1690, Christian Huygens (1629-1695) afirma que la luz consiste en una serie de ondas propagadas a través del éter, el sustrato intangible que soporta el vacío para transmitir luz.
En 1801, Thomas Young (1773-1829) obtiene un patrón de interferencia (imagen aquí-contra), lo que demuestra que la luz es una onda, porque las ondas se pueden sumar y restar para producir interferencias (áreas oscuras intercaladas de zonas brillantes). Esta experiencia nos permite entender el comportamiento y la naturaleza de la luz.
En 1814, Joseph von Fraunhofer (1787-1826) observa los rayos en la luz visible del espectro solar. Esta óptico y físico alemán fue el primero en estudiar la difracción de la luz a través de redes ópticas (difracción de Fraunhofer). En este momento no sabemos la razón de la presencia de estas líneas en el espectro visible de la luz. La respuesta vendrá mucho más tarde.
En 1850, Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) y Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) descubrió que las líneas espectrales de la luz emitida por un cuerpo incandescente, constituyen una firma que permite de identificar este cuerpo. Mediante la observación del espectro de la luz solar, reconocen varios elementos químicos presentes sobre la Tierra como, el cesio y el rubidio.
En 1864, James Clerk Maxwell (1831-1879) hace una síntesis de las ondas eléctricas y electromagnéticas. Determina que la luz es una onda electromagnética y que toda la luz del espectro electromagnético es luz. Lo que los diferencia las ondas electromagnéticas, es la longitud de onda. Las diferentes ventanas del espectro electromagnético caracterizan por una gama de longitudes de onda, pero también por una gama de frecuencias.
En 1900, Max Planck resolvió el enigma del cuerpo negro, su fórmula describe perfectamente la luz emitida por un cuerpo en función de su temperatura. En otras palabras, una temperatura alta indica una alta energía, una baja temperatura indica una baja energía.

En 1905, Albert Einstein (1879-1955) explicó el efecto fotoeléctrico, que son los fotones de la luz incidente que extraen los electrones en la materia. Los fotones actúan como quanta de energía lo que Planck había sugerido, pero es Einstein que lo demuestra. Así que estos fotones tienen una cierta energía, la que se extrae los electrones del metal. Cuando recibimos en nuestra piel, los brillantes rayos del Sol, sentimos bien la energía que transportan. La luz está constituida por fotones al comportamiento de las olas y a cada uno de los fotones corresponde una energía. Más la longitud de onda del fotón es corta y más el fotón es enérgico.
En 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) especifica la estructura del átomo y da uno tamaño al núcleo atómico de aproximadamente 10^-14 metros.
En 1913, Niels Bohr (1885-1962) propuso la estructura del átomo de hidrógeno, los electrones se encuentran en órbitas cuantificadas. El electrón viaja a una cierta distancia en una de las capas de piel de cebolla alrededor del núcleo. Este es el principio de absorción y emisión de luz en un átomo (véase el capítulo siguiente).
El experimento de la doble rendija, que data de principios del siglo 19, es un experimento de física que consiste a interferir dos haces de luz que vienen de la misma fuente. Esta experiencia hizo en 1800 con los fotones se realizó ya que con todas las partículas. Con electrones en la década de 1920, con los neutrones en la década de 1950, con átomos en la década de 1980 y con las moléculas en la década de 1990. Todas las partículas microscópicas pueden interferir, como en el experimento de Young.

N.B.: Energía del fotón E = hν = hc / λ.
E es la energía expresada en julios, h es la constante de Planck (6,62 x 10^-34), ν es la frecuencia (número de oscilaciones electromagnéticas), c es la velocidad de la luz en el vacío, y λ es la longitud de onda. La energía de un fotón es infinitamente pequeño. En otros términos, más el longitud de onda es corto, más la frecuencia es grande y más la energía es poderosa.

Imagen: La naturaleza de la luz depende de la mecánica cuántica para la cual es tanto una onda y una partícula. La luz tiene una longitud de onda, lo que determina el color, el rojo emite en la longitud de onda de 700 nanómetros, y la color violeta, 450 nm. Es en esta pequeña ventana que vemos el mundo, pero la luz visible se extiende sobre un campo electromagnético más grande.

Imagen: El experimento de la doble rendija o interferencia de Young es un experimento de física que consiste a interferir dos haces de luz que vienen de la misma fuente. Para esta hace pasar la luz a través de dos pequeñas aberturas perforadas en un panel opaco. Los fotones de luz pasan a través de los dos agujeros y luego recorrer un camino diferente. Todos los que pasan a través de un agujero van a llegar juntos, las ondas se suman, habrá amplificación de la luz que marcará gradualmente "pantalla fotográfica." Los que van a través del otro agujero van a llegar desplazada en el tiempo relación a los primeros y las olas también se añade, pero dos ondas opuestas cancelarse es lo muestra las franjas negras del fenómeno de interferencia.
 

Principio de absorción y de emisión atómica

En 1913, Niels Bohr (1885-1962) propuso la estructura del átomo de hidrógeno, los electrones se encuentran en las órbitas cuantificadas (modelo de Bohr). El electrón externo viaje a una cierta distancia, en las capas de la piel de cebolla alrededor del núcleo. Bohr muestra que este electrón puede hacer ciertos pasos de una capa cuantificada a otra. Para que el electrón situado en la capa alta, salta en la capa interior, necesita una energía igual a la diferencia de energía entre las dos capas cuantificadas. Si las energías implicadas son moderados, sólo los electrones exteriores de la nube de electrones son afectos. Un haz de luz es una onda que se propaga como un conjunto de partículas que se conoce como fotones. La cantidad de energía transportada por la energía del fotón se llama quanta de energía. Cuando el fotón llega al átomo, el átomo absorbe el fotón y vamos a ver una línea de absorción.
El electrón que ha cambiado de capa no está en un estado estable y se verá a volver a su capa original. Cuando el electrón vuelve a su capa original, un fotón es emitido, el átomo pierde energía y vamos a ver una línea de emisión. El electrón es devuelto a su capa original y recuperó su energía de estado fundamental transmitiendo la energía que hubo recibido, igual a la diferencia de energía entre las dos capas cuantificados. Los desplazamientos de los electrones de una capa a otra, harán hincapié en las líneas de absorción y emisión espectral.

Luz, onda, partículas, energía y materia están vinculados en este fenómeno de absorción y de emisión atómica. El átomo es el resultado de la interacción entre un núcleo y los electrones, en otras palabras, se trata de un sistema enlazado de partículas que tiene energía. Cuando no hay entrada de energía o pérdida de energía, la materia reacciona absorbiendo o emitiendo una onda de luz.

N.B.: En la física clásica los átomos son formados de un cierto número de electrones puntuales cargados negativamente, y un núcleo cuasi puntual, cargado positivamente, lo que suscita una paradoja. En la física clásica, la materia debería desaparecer, aniquilarse porque un electrón que irradia alrededor de un núcleo pierde energía (teoría de Maxwell) y por lo tanto debería caer en el núcleo. Esto significa que la estabilidad de un átomo es incomprensible en el contexto de la teoría clásica. Por contra, la física cuántica explica el misterio del átomo y la estabilidad de la materia. La física cuántica ha aparecido entre 1925 y 1927, se deriva de la la mecánica cuántica de Max Planck iniciada en 1900 y desarrollada por Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld, Hendrik Anthony Kramers, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli y Louis de Broglie entre 1905 y 1924. Esta revolución científica y conceptual que explica la existencia de la materia, es a la base de nuestra comprensión del mundo físico .

Imagen: Principio de la absorción y la emisión de un fotón. Si la energía implicada es moderada, transiciones electrónicas se producen sólo en las capas exteriores de los átomos. Se corresponden con el paso de un electrón de la sub-capa no se cumple a una sub-capa desocupado de energía superior (absorción) o al regreso de un electrón en la sub-capa de valencia (emisión). Si la energía empleada es suficientemente alta (en las muy altas frecuencias), hay arrebatamiento de electrones.
Crédito Imagen: www.astronoo.com