Transición electrónica atómica

Un electrón en un átomo del modelo de Bohr , que pasa del nivel cuántico $n = 3$ al $n = 2$ y libera un fotón . La energía de un electrón está determinada por su órbita alrededor del átomo. La órbita n = 0, comúnmente denominada 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 los attosegundos . ^[3]

Los electrones que saltan a niveles de energía de n menor 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 mayor. Cuanto mayor sea la separación de energía entre el estado inicial y el final del electrón, más corta será la longitud de onda de los fotones . ^[4]

Historia

El físico danés Niels Bohr fue el primero en teorizar 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 cuantizados. ^[6]

La observabilidad de los saltos cuánticos fue predicha por Hans Dehmelt 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] Nótese que la fase real es . Sin embargo, en muchos casos, la variación de es pequeña en 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 mucho más débilmente. $|{\textbf {E}}_{0}|$ ${\estilo de visualización \omega}$ ${\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }$ $(\omega t-{\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}})$ ${\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}}$

El hamiltoniano para esta interacción, análogo a la energía de un dipolo clásico en un campo eléctrico, es . La tasa de transición estimulada se puede calcular utilizando la teoría de perturbación dependiente del tiempo ; sin embargo, el resultado se puede resumir utilizando la regla de oro de Fermi : El elemento de la matriz dipolar se puede descomponer en el producto de la integral radial y la integral angular. La integral angular es cero a menos que se cumplan las reglas de selección para la transición atómica. $H_{I}=e{\textbf {r}}\cdot {\textbf {E}}(t)$ $Tasa\propto |eE_{0}|^{2}\times |\langle 2|{\textbf {r}}\cdot {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }|1\rangle |^{2}$

Descubrimientos recientes

En 2019, se demostró en un experimento con un átomo artificial superconductor formado por dos cúbits 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]

Véase también

Referencias

^ Schombert, James. "Física cuántica" Departamento de Física de la Universidad de Oregón
^ Vijay, R; Slichter, D. H; Siddiqi, I (2011). "Observación de saltos cuánticos en un átomo artificial superconductor". Physical Review Letters . 106 (11): 110502. arXiv : 1009.2969 . Código Bibliográfico :2011PhRvL.106k0502V. doi :10.1103/PhysRevLett.106.110502. PMID 21469850. S2CID 35070320.
^ de la Peña, L.; Cetto, AM; Valdés-Hernández, A. (4 de diciembre de 2020). "¿Qué tan rápido es un salto cuántico?". Physics Letters A . 384 (34): 126880. arXiv : 2009.02426 . Bibcode :2020PhLA..38426880D. doi :10.1016/j.physleta.2020.126880. ISSN 0375-9601.
^ ab Itano, WM; Bergquist, JC; Wineland, DJ (2015). "Observaciones tempranas de saltos cuánticos macroscópicos en átomos individuales" (PDF) . Revista Internacional de Espectrometría de Masas . 377 : 403. Bibcode :2015IJMSp.377..403I. doi :10.1016/j.ijms.2014.07.005.
^ Gleick, James (21 de octubre de 1986). "LOS FÍSICOS FINALMENTE PUEDEN VER EL SALTO CUÁNTICO CON SUS PROPIOS OJOS". The New York Times . ISSN 0362-4331 . Consultado el 6 de diciembre de 2021 .
^ "Experimento de Franck-Hertz | Física | Britannica". www.britannica.com . Consultado el 6 de diciembre de 2021 .
^ Foot, CJ (2004). Física atómica . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850696-6.
^ 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.
^ Snizhko, Kyrylo; Kumar, Parveen; Romito, Alessandro (29 de septiembre de 2020). "El efecto cuántico Zenón aparece en etapas". Physical Review Research . 2 (3): 033512. arXiv : 2003.10476 . Bibcode :2020PhRvR...2c3512S. doi :10.1103/PhysRevResearch.2.033512. S2CID 214623209.

Enlaces externos

Busque salto cuántico en Wikcionario, el diccionario libre.

Schrödinger, Erwin (agosto de 1952). "¿Existen saltos cuánticos? Parte I" (PDF) . The British Journal for the Philosophy of Science . 3 (10): 109–123. doi :10.1093/bjps/iii.10.109. Parte 2
"¡No hay saltos cuánticos, ni hay partículas!", por HD Zeh, Physics Letters A172 , 189 (1993).
Ball, Philip (5 de junio de 2019). «Los saltos cuánticos, que durante mucho tiempo se creyeron instantáneos, toman tiempo». Quanta Magazine . 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).