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Solución:
Esta es realmente una pregunta clásica sobre un proceso no clásico.
En la mecánica cuántica regular, un electrón no necesita moverse físicamente para cambiar de estado, ya que para algunos $ x $, $ psi_i (x) $ y $ psi_f (x) $ ambos pueden ser distintos de cero, así que si dices que el electrón está en $ x $, puede estar en cualquiera $ psi $. De hecho, generalmente así es como se calcula QM bajo un cambio de potencial: simplemente proyecta el estado anterior en los nuevos estados sin ningún cambio de $ psi (x) $.
En nuestra mejor descripción de estas cosas, la electrodinámica cuántica, hay un estado inicial (átomo excitado) y un estado final (átomo en el estado fundamental + un fotón). Lo que sucede en el medio es: todo, pero eso no es manejable, por lo que tomamos aproximaciones.
Si observa el término de primer orden en la interacción que hace que el átomo se relaje, verá 3 cosas: un operador de creación de fotones, un operador de destrucción de electrones y un operador de creación de electrones.
Entonces, de acuerdo con eso, el electrón no cae ni salta. Se destruye y se crea un electrón “nuevo” en el estado fundamental, junto con un fotón adecuado.
Puse “nuevo” entre comillas porque ningún electrón tiene una identidad frente a cualquier otro electrón.
En el caso de la absorción, el fotón entrante es aniquilado por el operador apropiado.
Tanto en la clase de Química como en la de Física, me han dicho que cuando se le da la cantidad correcta de energía a un átomo,
Un fotón es una partícula puntual elemental en el modelo estándar de física de partículas. Tiene que ser la energía adecuada fotón, dónde $ E = hν $ dónde $ h $ es la constante de Planck un $ ν $ es la frecuencia de la onda electromagnética clásica que emergería de millones de esos fotones. Para ver la evidencia experimental de la diferencia entre los fotones, que son partículas puntuales de la mecánica cuántica, y la luz, vea esta respuesta mía.
sus electrones de valencia absorben la energía y saltan a un nivel de energía superior.
Esto no es lo que pasa. Todo el átomo absorbe la energía con el resultado de encontrar el electrón en el estado de mayor energía.
Cuando vuelve a bajar, tiene que perder su energía,
Significa que el átomo se desexcita y el electrón ocupa el nivel de energía más bajo.
y lo emite en forma de ondas electromagnéticas,
Esto está mal. Un solo átomo no emite ondas electromagnéticas. Emite un fotón. Debes saber que en materia hay de orden $ 10 ^ 23 $ átomos en un mol. Las ondas electromagnéticas clásicas, ligeras, emergen de una confluencia de millones de fotones de la materia a granel. Esto se puede mostrar matemáticamente usando la teoría de campo, pero en el enlace que les di hay experimentos que muestran cómo el comportamiento de la luz surge de la superposición de fotones individuales.
que puede estar o no en el rango visible.
Esto es correcto.
Pero, ¿por qué en el caso de la caída de electrones?
Los electrones no suben ni bajan. Los átomos se describen mediante ecuaciones de mecánica cuántica que dan soluciones en términos de probabilidad. Cuando la energía del fotón está en la diferencia entre dos niveles de energía atómica, el átomo absorbe la energía y el electrón está en un nivel de energía más alto, no en una órbita, sino en un orbital, un locus de probabilidad.
Cuando el átomo vuelve al nivel de energía más bajo, hay un tiempo calculable en QM para que esto suceda, se emite un fotón, como se describió anteriormente. Vea cómo son los niveles de energía del átomo de hidrógeno.
Mi única teoría posible es que las ondas electromagnéticas se producen cuando las partículas cargadas se mueven, pero luego los EM deberían emitirse cuando salta a un nivel superior.
El primer modelo de mecánica cuántica, el modelo de Bohr del átomo, consideró un esquema semiclásico de este tipo. Hacer un modelo planetario para el átomo de hidrógeno, por ejemplo, sería muy inestable, el electrón al ser atraído por el protón caería emitiendo radiación continua (como dices) y no existiría ningún átomo de hidrógeno.
Sin embargo, los datos de la luz del hidrógeno mostraron líneas espectrales muy específicas, que matemáticamente podrían ajustarse a series conocidas. Entonces, Bohr introdujo la hipótesis de que el momento angular se cuantificó, por lo que solo existían ciertos niveles de energía estable. Esto se amplió con la ecuación de Schrodinger y nació la teoría de la mecánica cuántica.
Para responder al título, un átomo excitado no produce una onda electromagnética, sino un solo fotón. Las ondas electromagnéticas surgen de miles de millones de fotones.
Esta es una buena pregunta y tiene una respuesta bastante esclarecedora.
Comencemos simplemente, si se me permite, considerando 1 dimensión en lugar de 3 y un potencial de pozo cuadrado infinito en lugar de la $ 1 / r $ Campo de culombio. Si el pozo va de $ -a / 2 $ para $ + a / 2 $ entonces tiene soluciones $ psi_n (x) = sqrt 2 sobre a cos n pi x sobre a $ cuando $ n $ es un entero positivo impar y $ psi_n (x) = sqrt 2 sobre a sin n pi x sobre a $ cuando $ n $ es un número entero incluso positivo, y estos tienen energías $ E_n = hbar ^ 2 n ^ 2 pi ^ 2 over 2 ma ^ 2 $ y las funciones de onda completas, incluida la dependencia del tiempo, son $ Psi_n (x, t) = psi_n (x) e ^ – iE_n t / hbar $. Cosas estándar.
Observe, es trivial pero importante, que la posición media del electrón $ langle x rangle = int Psi_n ^ * (x, t) x Psi_n (x, t) dx $ es cero para todos $ n $, como $ x $ es extraño y $ psi (x) ^ 2 $ incluso .
Ahora considere un electrón que comienza en un estado excitado, digamos el estado 2, y decae a un estado más bajo, digamos el estado 1, el estado fundamental. Inicialmente está en $ Psi_2 (x, t) $ y finalmente en $ Psi_1 (x, t) $. En el medio está en una superposición de los dos. $ Psi (x, t) = A Psi_1 (x, t) + B Psi_2 (x, t) $. La energía durante este (corto) período intermedio no está definida, pero eso está bien debido al principio de incertidumbre. $ A $ y $ B $ son funciones del tiempo y normalizadas a uno, pero estos detalles no nos conciernen en este momento.
Ahora $ langle x rangle $ es $ int Psi ^ * (x, t) x Psi (x, t) dx $ cual es $ int (A Psi_1 ^ * (x, t) + B Psi_2 ^ * (x, t)) x (A Psi_1 (x, t) + B Psi_2 (x , t)) dx $
Esto contiene términos $ | A ^ 2 || psi_1 ^ 2 | x $ y $ | B ^ 2 || psi_2 ^ 2 | x $ que desaparecen como antes, pero también contiene un par de términos cruzados
PS[AB Psi_1^*(x,t)Psi_2(x,t)+ AB Psi_1(x,t)Psi_2^*(x,t)]x $
Poniendo las expresiones para $ Psi_1 $ y $ Psi_2 $ convierte esto en
$ 2 AB over a[e^i(E_2-E_1)t/hbar + e^-i(E_2-E_1)t/hbar]x cos pi x sobre a sin 2 pi x sobre a $
La integral de espacio no desaparece, ya que es el producto de una función par y dos funciones impares. La dependencia del tiempo parece $ cos (E_2-E_1) t / hbar $.
Ahora recuerda que el electrón tiene carga. Lo que nos dicen las matemáticas es que durante la transición hay un momento dipolar que oscila con la frecuencia. $ omega = (E_2-E_1) / hbar $, es decir$ f = (E_2-E_1) / h $. Se comporta como un pequeño radiador dipolo que oscila a la frecuencia justa para emitir la radiación EM correspondiente a la transición de energía (es decir, el fotón).
Observe que tomamos gratis la regla de selección de que tales transiciones solo pueden ocurrir entre estados pares e impares. En 3D, tales reglas son más complicadas, pero básicamente solo dicen que la integral del producto de las partes espaciales de los dos estados involucrados no debe desaparecer.
Si tienes algún duda y disposición de avanzar nuestro noticia te mencionamos escribir una referencia y con placer lo estudiaremos.