Transición de electrones atómicos

Cambio de un electrón entre niveles de energía dentro de un átomo.

Un electrón en un átomo del modelo de Bohr , moviéndose desde el nivel cuántico n = 3 a n = 2 y liberando un fotón . La energía de un electrón está determinada por su órbita alrededor del átomo. La órbita n = 0, comúnmente conocida como estado fundamental , tiene la energía más baja de todos los estados del sistema.

En física y química atómica , una transición electrónica atómica (también llamada transición atómica, salto cuántico o salto cuántico) es un electrón que cambia de un nivel de energía a otro dentro de un átomo ^[1] o átomo artificial . ^[2] La escala de tiempo de un salto cuántico no se ha medido experimentalmente. Sin embargo, el principio de Franck-Condon vincula el límite superior de este parámetro al orden de attosegundos . ^[3]

Los electrones que saltan a niveles de energía de n más pequeños emiten radiación electromagnética en forma de fotón. Los electrones también pueden absorber los fotones que pasan, lo que provoca un salto cuántico a un nivel de n superior. Cuanto mayor es la separación de energía entre el estado inicial y final del electrón, más corta es la longitud de onda de los fotones . ^[4]

Historia

El físico danés Niels Bohr teorizó por primera vez que los electrones pueden realizar saltos cuánticos en 1913. ^[5] Poco después, James Franck y Gustav Ludwig Hertz demostraron experimentalmente que los átomos tienen estados de energía cuantificados. ^[6]

Hans Dehmelt predijo la observabilidad de los saltos cuánticos en 1975, y se observaron por primera vez utilizando iones atrapados de bario en la Universidad de Hamburgo y mercurio en el NIST en 1986. ^[4]

Teoría

Un átomo interactúa con el campo eléctrico oscilante:

con amplitud , frecuencia angular y vector de polarización . ^[7] Tenga en cuenta que la fase real es . Sin embargo, en muchos casos, la variación de es pequeña sobre el átomo (o equivalentemente, la longitud de onda de la radiación es mucho mayor que el tamaño de un átomo) y este término puede ignorarse. Esto se llama aproximación dipolar. El átomo también puede interactuar con el campo magnético oscilante producido por la radiación, aunque de forma mucho más débil. ${\displaystyle |{\textbf {E}}_{0}|}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle {\hat {\textbf {e}}}_{rad}}$ ${\displaystyle (\omega t-{\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}})}$ ${\displaystyle {\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}}}$

El hamiltoniano para esta interacción, análoga a la energía de un dipolo clásico en un campo eléctrico, es . La tasa de transición estimulada se puede calcular utilizando la teoría de la perturbación dependiente del tiempo ; sin embargo, el resultado se puede resumir utilizando la regla de oro de Fermi : ${\displaystyle H_{I}=e{\textbf {r}}\cdot {\textbf {E}}(t)}$

$${\displaystyle Rate\propto |eE_{0}|^{2}\times |\langle 2|{\textbf {r}}\cdot {\hat {\textbf {e}}}_{rad}|1\rangle |^{2}}$$

reglas de selección para la transición atómica.

Descubrimientos recientes

En 2019, se demostró en un experimento con un átomo artificial superconductor compuesto por dos qubits transmon fuertemente hibridados colocados dentro de una cavidad de resonador de lectura a 15 m K , que la evolución de algunos saltos es continua, coherente, determinista y reversible. ^[8] Por otro lado, otros saltos cuánticos son inherentemente impredecibles. ^[9]

Ver también

• Ruido de explosión
• Interpretación conjunta
• Fluorescencia
• Demostración de pepinillos brillantes
• Transición electrónica molecular , para moléculas.
• Fosforescencia
• salto cuántico
• Emisión espontánea
• Emision estimulada

Referencias

1. Schombert, James. "Física cuántica" Departamento de Física de la Universidad de Oregon
2. Vijay, R; Slichter, DH; Siddiqi, yo (2011). "Observación de saltos cuánticos en un átomo artificial superconductor". Cartas de revisión física . 106 (11): 110502. arXiv : 1009.2969 . Código bibliográfico : 2011PhRvL.106k0502V. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.110502. PMID  21469850. S2CID  35070320.
3. de la Peña, L.; Cetto, AM; Valdés-Hernández, A. (4 de diciembre de 2020). "¿Qué tan rápido es un salto cuántico?". Letras de Física A. 384 (34): 126880. arXiv : 2009.02426 . doi :10.1016/j.physleta.2020.126880. ISSN  0375-9601.
4. Itano, WM; Bergquist, JC; Wineland, DJ (2015). "Primeras observaciones de saltos cuánticos macroscópicos en átomos individuales" (PDF) . Revista internacional de espectrometría de masas . 377 : 403. Código bibliográfico : 2015IJMSp.377..403I. doi :10.1016/j.ijms.2014.07.005.
5. Gleick, James (21 de octubre de 1986). "LOS FÍSICOS POR FIN PUEDEN VER EL SALTO CUÁNTICO CON SUS PROPIOS OJOS". Los New York Times . ISSN  0362-4331 . Consultado el 6 de diciembre de 2021 .
6. "Experimento de Franck-Hertz | física | Britannica". www.britannica.com . Consultado el 6 de diciembre de 2021 .
7. Pie, CJ (2004). Física Atómica . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-850696-6.
8. Minev, ZK; Mundhada, SO; Shankar, S.; Reinhold, P.; Gutiérrez-Jáuregui, R.; Schoelkopf, RJ.; Mirrahimi, M.; Carmichael, HJ; Devoret, MH (3 de junio de 2019). "Para atrapar y revertir un salto cuántico en pleno vuelo". Naturaleza . 570 (7760): 200–204. arXiv : 1803.00545 . Código Bib :2019Natur.570..200M. doi :10.1038/s41586-019-1287-z. PMID  31160725. S2CID  3739562.
9. Snizhko, Kyrylo; Kumar, Parveen; Romito, Alessandro (29 de septiembre de 2020). "El efecto Quantum Zeno aparece por etapas". Investigación de revisión física . 2 (3): 033512. arXiv : 2003.10476 . Código Bib : 2020PhRvR...2c3512S. doi : 10.1103/PhysRevResearch.2.033512. S2CID  214623209.

enlaces externos

• Schrödinger, Erwin (agosto de 1952). "¿Existen saltos cuánticos? Parte I" (PDF) . La Revista Británica de Filosofía de la Ciencia . 3 (10): 109–123. doi :10.1093/bjps/iii.10.109. Parte 2
• "¡No hay saltos cuánticos, ni partículas!" por HD Zeh, Physics Letters A172 , 189 (1993).
• Ball, Philip (5 de junio de 2019). "Los saltos cuánticos, que durante mucho tiempo se supusieron instantáneos, toman tiempo". Revista Quanta . Consultado el 6 de junio de 2019 .
• "Plasmón de superficie en una interfaz metal-dieléctrica con una capa de transición épsilon cercana a cero" por Kevin Roccapriore et al., Physical Review B 103 , L161404 (2021).