Fotón absorbido y emitido

[arivasm]

Re: Fotón absorbido y emitido

Copio y pego desde la wikipedia inglesa. El resaltado es mío.

At the atomic level the atomic binding energy of the atom derives from electromagnetic interaction and is the energy required to disassemble an atom into free electrons and a nucleus.^[1] Electron binding energy is a measure of the energy required to free electrons from their atomic orbits. This is more commonly known as ionization energy.^[2]

[saturno]

Re: Fotón absorbido y emitido

¿No son lo mismo? También te digo que esto lo di en química en el colegio, igual me timaron, que no sería la primera vez xD. Aunque por internet he visto sitios donde se dice que son lo mismo. Bueno tocará esperar a que alguien lo confirme/desmienta.

Bajo mi opinión, depende del contexto. La energía de ligadura generalmente se define para un sistema cualquiera, mientras que la energía de ionización se define para el sistema átomo-electrón.

Cuando lo estudié lo vi como iguales, pues en el sistema de átomo-electrón tanto se vale la energía de ligadura como la energía de ionización. Ahora bien, si tuvieramos un sistema como un nucleo, estaríamos hablando estrictamente de energía de ligadura.

Sin demorarme más y añadiéndole contrariedad a mi respuesta, en internet encuentro definiciones estrictas de la energía de ligadura, refiriéndola a la energía de separación nucleónica. Mas sin embargo, creo que el término energía de ligadura, como ya he dicho, es mejor tratarlo como un término general para un sistema dado.

[arivasm]

Re: Fotón absorbido y emitido

Solo hace falta observar que el hamiltoniano de la función de onda es la suma de dichas energías.

Es especialmente importante el hecho de que en el hamiltoniano intervengan términos de energía potencial en los que están presentes pares de partículas. Una consecuencia que afecta a sistemas polielectrónicos es que la función de onda no es factorizable en funciones de las coordenadas de electrones individuales, e incluso aunque lo fuese se hace imprescindible tomar en consideración la indistiguibilidad de los electrones, es decir, que la función de onda sea antisimétrica respecto del intercambio de dos electrones. En tales casos plantearse que la energía del sistema es una suma de energías (como creo entender en tu mensaje -quizá no lo he interpretado adecuadamente-), que es lo mismo que plantear la factorización de la función de onda que acabo de mencionar, no deja de ser una mala aproximación.

Pero incluso en sistemas simples como son los átomos hidrogenoides, el hamiltoniano incorpora un término de energía potencial electrón-núcleo que es el que determina los estados energéticos del sistema. Por otra parte, recordemos que en el operador de energía cinética el núcleo se introduce a través de la masa reducida.

Las probabilidades de las transiciones atómicas que implican la participación de fotones son descritas a través de las funciones de onda (un enfoque habitual pasa por el cálculo de los momentos dipolares de transición (por ejemplo, puede verse en la página 12 de este pdf: http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10...tes_Tema10.pdf) que, como acabo de señalar, lo son del sistema como un todo (átomo, molécula, cristal, etc) y no de sus constituyentes.

Así pues, es el átomo el que cambia su energía mediante la absorción o emisión de un fotón y no sus constituyentes.

Insisto en que es común omitir estos detalles en las lecciones de Química, no así en las de Espectroscopia o de Química cuántica, y de ahí que muchos estudiantes queden con la idea equivocada de que únicamente son los electrones son los que determinan el comportamiento en la interacción radiación-materia, asignando al núcleo un papel pasivo (algo así como un simple creador del pozo de potencial). Recordemos que, por ejemplo, hidrógeno y deuterio tienen espectros atómicos ligeramente diferentes.

[Julián]

Re: Fotón absorbido y emitido

Excelente desarrollo alriga.

En primer lugar, no es cierto que sea el electrón el que toma la energía del fotón. Es el átomo (el sistema como un todo) el que modifica su energía como consecuencia de la absorción del fotón. Ya sé que es muy común decir eso de "el electrón cambia su energía de tal a tal" cuando en realidad lo correcto (aunque tampoco del todo) es "el átomo cambia su energía y como consecuencia el electrón tal hace tal cosa".

No pienso que sea el átomo el que adquiera la energía del fotón. Si bien parte de la energía del electrón es energía potencial y eso implica al sistema en conjunto y como sistema se refiere a átomo o moléculas-conjunto de átomos, sino también que el electrón tiene energía cinética. Solo hace falta observar que el hamiltoniano de la función de onda es la suma de dichas energías.

[Alriga]

Re: Fotón absorbido y emitido

En primer lugar, no es cierto que sea el electrón el que toma la energía del fotón. Es el átomo (el sistema como un todo) el que modifica su energía como consecuencia de la absorción del fotón. Ya sé que es muy común decir eso de "el electrón cambia su energía de tal a tal" cuando en realidad lo correcto (aunque tampoco del todo) es "el átomo cambia su energía y como consecuencia el electrón tal hace tal cosa".
En segundo lugar, no siempre un átomo devolverá la energía captada a través de la absorción de un fotón emitiendo otro fotón de la misma energía que el primero. Hay más posibilidades a través de las cuales un átomo (o molécula, cristal, etc) puede perder toda o parte de la energía adquirida mediante la absorción de un fotón. Así, entre las más interesantes están la fluorescencia, en la que el fotón emitido tiene una energía diferente de la del absorbido y también, por supuesto, las reacciones fotoquímicas, importantes, como sabes, para la vida vegetal.

Este excelente comentario de arivasm respondía completamente a una de las cuestiones que han aparecido a lo largo del hilo, la absorción de un fotón por un átomo. En cuanto a la otra cuestión:

... la presencia del átomo es imprescindible para que el fotón pueda ser completamente absorbido, depositando toda su energía en el átomo y desapareciendo él mismo. Si no hay átomo y solo electrones libres, el fotón se desvía variando su energía y su momento al interaccionar con el electrón, pero nunca desaparece absorbido por éste.

Para dar respuesta completa a la misma se ha publicado el desarrollo matemático correspondiente, que si os interesa podéis consultar siguiendo este enlace:

Interacción fotón - electrón

Saludos

[arivasm]

Re: Fotón absorbido y emitido

Entonces, cuando decimos que un fotón es absorbido por un átomo, en realidad nos referimos a que la partícula fotónica hace que el electrón tome energía del campo (debido a los componentes del átomo entero) al que se encuentra ligado, de igual cantidad a la que portaba el fotón ($E = h \nu$) y, posteriormente, la devuelva (volviendo al nivel energético en el que se encontraba inicialmente).

En primer lugar, no es cierto que sea el electrón el que toma la energía del fotón. Es el átomo (el sistema como un todo) el que modifica su energía como consecuencia de la absorción del fotón. Ya sé que es muy común decir eso de "el electrón cambia su energía de tal a tal" cuando en realidad lo correcto (aunque tampoco del todo) es "el átomo cambia su energía y como consecuencia el electrón tal hace tal cosa".

En segundo lugar, no siempre un átomo devolverá la energía captada a través de la absorción de un fotón emitiendo otro fotón de la misma energía que el primero. Hay más posibilidades a través de las cuales un átomo (o molécula, cristal, etc) puede perder toda o parte de la energía adquirida mediante la absorción de un fotón. Así, entre las más interesantes están la fluorescencia, en la que el fotón emitido tiene una energía diferente de la del absorbido y también, por supuesto, las reacciones fotoquímicas, importantes, como sabes, para la vida vegetal.

[Julián]

Re: Fotón absorbido y emitido

Entonces, cuando decimos que un fotón es absorbido por un átomo, en realidad nos referimos a que la partícula fotónica hace que el electrón tome energía del campo (debido a los componentes del átomo entero) al que se encuentra ligado, de igual cantidad a la que portaba el fotón () y, posteriormente, la devuelva (volviendo al nivel energético en el que se encontraba inicialmente).

¿Qué varía en el fotón al interaccionar con el átomo si en realidad lo que hace es desencadenar una cadena de sucesos en las que él no participa directamente?

Pues se debe entender al fotón o al electrón como oscilaciones o perturbaciones de campos cuánticos. Existen operadores de creación y destrucción pero siempre en una interacción se conservan ciertas magnitudes como el momento o la energía respetando el principio de incertidumbre. Que un fotón sea observido implica que hubo un cambio en uno de sus modos. Sea por ejemplo que el campo electromagnético está caracterizado por los siguientes modos

$E(\omega) = h {f}_{1} {N}_{1}+ h {f}_{2} {N}_{2} + ....+h {f}_{n} {N}_{n}$

donde $h {f}_{1}$ es la energía de un modo y ${N}_{1}$ el número de partículas en dicho nivel.

Ante una interacción el número de partículas en un estado varía. Puedes preguntar esto en la sección teoría cuántica de campos y alguien con mayor conocimiento en esto te podrá ayudar.

[Alriga]

Re: Fotón absorbido y emitido

Yo entiendo que la presencia del átomo es imprescindible para que el fotón pueda ser completamente absorbido, depositando toda su energía en el átomo y desapareciendo él mismo.
Si no hay átomo y solo electrones libres, (efecto Compton), el fotón se desvía variando su energía y su momento al interaccionar con el electrón, pero nunca desaparece absorbido por éste.
Saludos.

[The Higgs Particle]

Re: Fotón absorbido y emitido

Cuando se da la interacción fotón electrón de manera tal que si hf es igual a una diferencia energética entre bandas energéticas, dicho cuanto de energía es tomado del campo electrómagnetico aumentando la energía de ligadura. Ahora, al pasar a un nivel energético superior un fermión y quedar bandas vacías inferiores, dicho electrón se desplazará nuevamente para disminuirla y dicha energía la será tomada por el campo electromagnético al estar acoplado al fermionico

Entonces, cuando decimos que un fotón es absorbido por un átomo, en realidad nos referimos a que la partícula fotónica hace que el electrón tome energía del campo (debido a los componentes del átomo entero) al que se encuentra ligado, de igual cantidad a la que portaba el fotón ($E = h \nu$) y, posteriormente, la devuelva (volviendo al nivel energético en el que se encontraba inicialmente).

¿Qué varía en el fotón al interaccionar con el átomo si en realidad lo que hace es desencadenar una cadena de sucesos en las que él no participa directamente?

[Julián]

Re: Fotón absorbido y emitido

Alriga una consulta con esto ultimo que planteas, según entiendo por ejemplo en el efecto "fotoelectrico" los electrones absorben al foton que les llega. Lógicamente también podría ser valido decir que "el átomo absorbe al foton". Pero en la explicación de dicho fenómeno, los autores de varios libros que he revisado, no tienen ningún reparo en decir que el "electrón absorbe al foton" o en buena cuenta "absorbe la energía del foton", de forma que pueda liberarse de las atracciones de los protones del núcleo y iones positivos del material, para luego salir despedido de este. Presumo que tu te refieres, a que un electrón aislado no puede absorber a un foton, pero un electrón dentro de un átomo si

La energía de ligadura es una energía potencial entre el núcleo y el electrón. Cuando se da la interacción fotón electrón de manera tal que si hf es igual a una diferencia energética entre bandas energéticas, dicho cuanto de energía es tomado del campo electrómagnetico aumentando la energía de ligadura. Ahora, al pasar a un nivel energético superior un fermión y quedar bandas vacias inferiores, dicho electrón se desplazará nuevamente para disminuirla y dicha energía la será tomada por el campo electromagnético al estar acoplado al fermionico. Planck ante el estudio de la radiación del cuerpo negro supuso que la radiacion era producida por "osciladores" en la materia. Los osciladores eran los átomos y por lo tanto los electrónes enlazados a estos que oscilaban entre bandas energéticas cuantificadas.
Esto responde a la distribución de fermi-dirac y la emisión fotónica dada por la ley de planck donde macroscópicamente se evidencia dicha radiación, emisión, absorción por la temperatura e entropía.

Y con respecto a la pregunta de The Higgs Particle, se supone que la cantidad de movimiento siempre debe conservarse (aunque nunca me había planteado esto para casos de fotones que transfieren cantidad de movimiento). Yo me lo explicaría así (para un foton que interactua con un electrón en un átomo), la cantidad de movimiento de un foton es CM=(cte planck)/(longitud de onda), pero como todos sabemos la cantidad de movimiento es vectorial, por lo que la dirección de esta sera la misma que la dirección de movimiento de la onda electromagnética. Por lo que al plantear el sistema CM, foton y electrón, y incluir las fuerzas externas sobre el electrón. Hasta donde yo lo veo seria muy improbable saber que dirección tomara el electrón al momento de la interacción, pues a esto tendrías que sumarle también el movimiento caótico del mismo. Esa seria mi manera de plantearlo no se que opinan los demás.

Debemos entender al momento como una cantidad que se conserva ante traslaciones espaciales y a la energía como una cantidad que se conserva ante traslaciones temporales, ahora bien, ante el análisis que estamos realizando estamos hablando de fenómenos que se dan en diferentes instantes de tiempo (absorción como t1 y emisión como t2) y no implica en el análisis movimientos o traslaciones espaciales. Ahora bien, ante la interacción de fotón y electrón libre si podemos hablar de traslaciones temporales.

[Clarck Luis]

Re: Fotón absorbido y emitido

Alriga una consulta con esto ultimo que planteas, según entiendo por ejemplo en el efecto "fotoelectrico" los electrones absorben al foton que les llega. Lógicamente también podría ser valido decir que "el átomo absorbe al foton". Pero en la explicación de dicho fenómeno, los autores de varios libros que he revisado, no tienen ningún reparo en decir que el "electrón absorbe al foton" o en buena cuenta "absorbe la energía del foton", de forma que pueda liberarse de las atracciones de los protones del núcleo y iones positivos del material, para luego salir despedido de este. Presumo que tu te refieres, a que un electrón aislado no puede absorber a un foton, pero un electrón dentro de un átomo si. Corrígeme si me equivoco.
Y eso de la "energía de ligadura" hasta donde yo entiendo, se habla de esto a nivel del núcleo. Pues se ha demostrado que los nucleones tienen diferente masa dentro del núcleo, que fuera de el. Para explicar esto podríamos decir que el nucleón ha "intercambiado masa por energía de ligadura", por lo que a medida que un nucleón posee menos masa dentro del núcleo se puede decir que esta "unido o ligado" con mas energía (pues ha sacrificado mas masa en ligarse). Esas conversiones de masa a energía pueden calcularse con la famosa formula de E=m*C2 (para cualquier cuerpo en reposo). Ahora veo que ustedes hablan de "energía de ligadura" para el electrón, pero hasta donde yo lo veo el electrón esta unido electricamente, por lo que hablar de "energía de ligadura" para la energía potencial eléctrica, implica que también podemos decir que nosotros tenemos "energía de ligadura" con respecto a la tierra, debido a la energía potencial gravitatoria. ¿O no?
Y con respecto a la pregunta de The Higgs Particle, se supone que la cantidad de movimiento siempre debe conservarse (aunque nunca me había planteado esto para casos de fotones que transfieren cantidad de movimiento). Yo me lo explicaría así (para un foton que interactua con un electrón en un átomo), la cantidad de movimiento de un foton es CM=(cte planck)/(longitud de onda), pero como todos sabemos la cantidad de movimiento es vectorial, por lo que la dirección de esta sera la misma que la dirección de movimiento de la onda electromagnética. Por lo que al plantear el sistema CM, foton y electrón, y incluir las fuerzas externas sobre el electrón. Hasta donde yo lo veo seria muy improbable saber que dirección tomara el electrón al momento de la interacción, pues a esto tendrías que sumarle también el movimiento caótico del mismo. Esa seria mi manera de plantearlo no se que opinan los demás.

[The Higgs Particle]

Re: Fotón absorbido y emitido

1. Cuando un fotón es absorbido por un átomo ... Eso es lo que imaginé yo que querías decir y lo que he comentado en el hilo hasta ahora.

2. Cuando un fotón interacciona un electrón ... Eso es lo que imaginó Julián y por eso te habló del efecto Compton.

¿Qué es lo que realmente preguntabas?

La primera, cuando un fotón es absorbido por un átomo

[Weip]

Re: Fotón absorbido y emitido

Sí, me refería a eso.
Saludos.

Ah vale entonces lo que decía estaba bien. Esto no lo volví a dar nunca más, por eso iba un poco inseguro.

Yo también creía que potencial de ionización y energía de ligadura eran diferentes. Entonces es independiente de los neutrones, no?

Sí, es independiente. Como el mismo nombre se usa para dos cosas distintas aclarar que en la energía de ligadura del núcleo sí que intervienen.

[Alriga]

Re: Fotón absorbido y emitido

... Bueno, en realidad mi pregunta iba más tirando a Feynman y la electrodinámica cuántica ...

Los diagramas de Feynman son una herramienta de cálculo, no un proceso físico.

Tú decías: "... Cuando un fotón es absorbido por un electrón ..." y yo te contestaba "... que yo sepa un electrón no puede absorber un fotón ..." con lo cual a tu frase hay que cambiarle alguna palabra para que describa un hecho físico, hay dos alternativas:

1. Cuando un fotón es absorbido por un átomo ... Eso es lo que imaginé yo que querías decir y lo que he comentado en el hilo hasta ahora.

2. Cuando un fotón interacciona con un electrón ... Eso es lo que imaginó Julián y por eso te habló del efecto Compton.

¿Qué es lo que realmente preguntabas?
Saludos.

[The Higgs Particle]

Re: Fotón absorbido y emitido

Yo también creía que potencial de ionización y energía de ligadura eran diferentes. Entonces es independiente de los neutrones, no?

Centrándome en la pregunta inicial solo se me ocurre una mezcla entre las respuestas de Alriga y Julián: usando la conservación de la energía y el momento se llega al efecto Compton. The Higgs Particle, ¿te refieres a esto? Y si los tiros van por los diagramas de Feynman pues si que no sabría responder.

PD: Lo del núcleo sí se llama energía de ligadura ¿no?

Bueno, en realidad mi pregunta iba más tirando a Feynman y la electrodinámica cuántica