Pregúntale a Ethan: ¿Cómo dividen los campos magnéticos los niveles de energía?

Una de las cosas más notables de la física es lo universal que es. Si toma la misma especie de núcleo atómico, con un número fijo de protones y neutrones, entonces solo habrá un conjunto fijo de niveles de energía que los electrones que orbitan ese núcleo pueden ocupar. A medida que los electrones hacen la transición entre los distintos niveles de energía, emiten (a medida que caen a niveles de energía más bajos) y absorben (a medida que ascienden a niveles de energía más altos) fotones de una longitud de onda y energía muy específicas: solo aquellas longitudes de onda y energías permitidas por las reglas. de la mecánica cuántica. Los valores de estos niveles de energía son universales: los mismos para todos los átomos de la misma especie en todas partes y en todo momento en todo el Universo.

Es decir, hasta que aplique un campo eléctrico o magnético externo. De repente, estos niveles de energía se dividen y toman una gran variedad de valores, dependiendo la cantidad de división completamente de la fuerza del campo aplicado. Pero, ¿cómo es esto posible? Eso es lo que Jon Coal quiere saber, preguntando:

"Oye, ¿alguna vez has hecho un artículo sobre el efecto Zeemen? […] Supongo que lo que estoy tratando de entender es que, en teoría, la luz no puede ser desviada por un campo magnético o eléctrico. Así que estos efectos , Zeeman y Stark, ¿están modificando la estructura atómica [en sí misma]?"

El efecto Zeeman es lo que vemos cuando aplicamos un campo magnético externo, y el efecto Stark es lo que vemos cuando aplicamos un campo eléctrico externo. Ambos realmente dividen los niveles de energía atómica, pero no de la manera que cabría esperar.

En primer lugar, es cierto: la luz, a pesar de ser una onda electromagnética en sí misma, no puede ser doblada por un campo magnético o eléctrico. Es bien sabido que los campos eléctricos y magnéticos hacen que las partículas en movimiento se doblen, pero solo si esas partículas están compuestas de cargas eléctricas distintas de cero.

Pero un fotón no tiene carga y no está formado por componentes cargados. Si bien los campos magnéticos y eléctricos externos pueden polarizar esa luz, cambiando la dirección de sus campos mientras se propaga, no pueden doblar la luz en sí.

Pero el efecto Zeeman y el efecto Stark no solo son reales, sino que ambos se observaron experimentalmente hace mucho tiempo. El desafío para los teóricos no es demostrar qué efectos no pueden estar en juego, lo que demuestra el hecho de que los fotones no pueden ser desviados por campos eléctricos o magnéticos, sino descubrir la causa crítica del efecto observado, además de explicar su magnitud y las condiciones en que aparece.

La confusión surge aquí porque no es porque los átomos emitan luz y luego esa luz se propague a través de una región donde hay un campo eléctrico o magnético; esa es una forma de obtener polarización, pero no una forma de dividir los niveles de energía, como en el efecto Zeeman o el efecto Stark.

En cambio, la forma de dividir los niveles de energía dentro de un átomo (o una molécula, si prefiere una química más compleja) es aplicando el campo eléctrico o magnético al átomo (o molécula) mismo, antes de la transición crítica de un nivel de energía a otro. ocurre otro. Esos fotones se crean dentro de un átomo o molécula a la que ya se le aplicó este campo externo, y ahí es donde ocurre esta división. Deberíamos haberlo esperado, porque hay una forma sutil de captar el mismo efecto subyacente que ocurre en la naturaleza incluso sin un campo externo: a través de la fina estructura de los átomos.

La mayoría de nosotros, cuando pensamos en los niveles de energía de los átomos, nos remontamos al modelo de Bohr, que en sí mismo fue revolucionario. En 1912, Bohr postuló que los electrones no orbitan alrededor del núcleo de un átomo de la forma en que los planetas orbitan alrededor del Sol: se mantienen en su lugar a través de una fuerza central invisible. En cambio, según la idea de Bohr, solo había ciertos estados particulares en los que se permitía orbitar a los electrones: orbitales, en lugar de poseer cualquier combinación de velocidad y radio que condujera a una órbita estable en el caso del movimiento planetario.

Bohr reconoció que el electrón y el núcleo eran muy pequeños, tenían cargas opuestas y sabía que el núcleo tenía prácticamente toda la masa. Su contribución innovadora fue comprender que los electrones solo pueden ocupar ciertos niveles de energía, de ahí el origen del término "orbitales atómicos".

Los electrones pueden orbitar el núcleo solo con propiedades particulares, lo que lleva a las líneas de absorción y emisión características de cada átomo individual: el átomo de Bohr. Pero a pesar de que así es como imaginamos los átomos hoy en día, en 1912, cuando Bohr lo propuso por primera vez, sabíamos que no podía ser la historia completa.

En 1887, cuando Michelson y Morely estaban construyendo y realizando su famoso experimento que refutaba la necesidad de un éter, o un medio en reposo en algún marco de referencia particular para que la luz viajara, estaban estudiando muy de cerca la emisión y la absorción. Propiedades del átomo de hidrógeno. He aquí que estos resultados, que ya tenían 25 años cuando se propuso por primera vez el átomo de Bohr, ya estaban en conflicto con las predicciones del modelo de Bohr.

El modelo de Bohr, por ejemplo, predijo que el segundo nivel de energía del hidrógeno, el primer estado excitado que tendría tanto

produciría las mismas energías para las 8 configuraciones electrónicas posibles. Pero los resultados de Michelson y Morely demostraron tanto pequeños cambios del valor de Bohr como múltiples estados adicionales. Aunque la desviación del modelo de Bohr fue leve, fue significativa, con la diferencia más sorprendente de que algunos niveles de energía parecían dividirse en dos, mientras que el modelo de Bohr solo poseía un estado de energía que podían ocupar.

Esos niveles de energía adicionales estaban extremadamente cerca uno del otro y también estaban muy cerca de las predicciones de Bohr. Pero las diferencias eran reales, por lo que la tarea de los físicos era explicar qué las causaba.

La clave de la respuesta estaba en las suposiciones que Bohr usó para crear su modelo: que los electrones eran partículas cargadas y sin espín que orbitaban alrededor del núcleo atómico a velocidades significativamente más bajas que la velocidad de la luz. Esto fue lo suficientemente bueno para explicar la estructura tosca de los átomos, o la naturaleza general de los niveles de energía, pero no esta estructura adicional más sutil.

Solo tomó 4 años para que sucediera el primer intento teórico de explicar esto, por medio del físico Arnold Sommerfeld. La gran realización de Sommerfeld fue la siguiente: si modelaste un átomo de hidrógeno usando el modelo simplista de Bohr, pero tomaste la relación de la velocidad de un electrón en el estado fundamental y la comparaste con la velocidad de la luz, obtendrías un cierto valor. Sommerfeld llamó a ese valor α, que conocemos hoy como la constante de estructura fina. Una vez que lo incorporaste a las ecuaciones de Bohr, de hecho descubriste que causó un cambio en los niveles de energía observados, lo que explica no solo la estructura tosca de un átomo en términos de niveles de energía, sino esta "estructura fina" más precisa, como todavía se le llama hoy. .

Pero si miras más intrincadamente en la estructura de los átomos, descubrirás que incluso con la explicación de Sommerfeld del efecto del movimiento de los electrones, eso no explica todo lo que hay. Esto se debe a que Sommerfeld solo explicó el primero de los tres efectos principales que sirven como correcciones de estructura fina para el modelo tosco de Bohr.

El segundo es de particular relevancia, ya que el espín del electrón, ya sea +ħ/2 o –ħ/2 (positivo o negativo en relación con el momento angular orbital del electrón), producirá un momento magnético, y ese momento magnético interactuará, ya sea positiva o negativamente, con el momento angular orbital del electrón.

Pero podemos ir aún más profundo que esto. Hay un efecto aún más sutil que la estructura fina que surge en los átomos y las moléculas: la estructura hiperfina.

Si los electrones, partículas cargadas, tienen un giro intrínseco y un momento magnético intrínseco, entonces eso puede interactuar con cualquier cosa que genere un campo magnético, incluyendo:

Cualquier interacción electromagnética entre partículas cargadas o magnetizadas puede alterar los niveles de energía dentro de los átomos y/o moléculas, con el modelo original de Bohr proporcionando la estructura general gruesa, con movimientos de partículas, fluctuaciones en esos movimientos y la interacción espín-órbita proporcionando estructura fina correcciones a esa estructura gruesa, y luego con interacciones más sutiles entre electrones y efectos electromagnéticos internos y externos adicionales que proporcionan una estructura hiperfina sobre la estructura gruesa y fina.

Todo eso es necesario para explicar la estructura de los niveles de energía dentro de los átomos y las moléculas, y eso es todo antes de que empecemos a considerar los campos eléctricos y magnéticos aplicados externamente.

Pero solo con esta configuración, ¡ya casi hemos llegado a la solución! Si aplica un campo eléctrico o magnético externo a cualquier átomo o molécula, estos niveles de energía también se verán afectados por el mismo mecanismo: a través de la interacción de estos electrones giratorios, en órbita, cargados e intrínsecamente magnéticos con esos campos. Solo que esta vez hay una gran diferencia: mientras que la estructura hiperfina dentro de los átomos y las moléculas siempre tiene un efecto pequeño en comparación con los efectos de la estructura fina, y los efectos de la estructura fina son pequeños en comparación con la estructura gruesa de los átomos, la magnitud de la electricidad aplicada y los campos magnéticos pueden tomar cualquier valor, solo limitado por las configuraciones de nuestro laboratorio.

Esto significa que si aplica un campo eléctrico externo, interactuará con todos los diferentes componentes de sus átomos y moléculas, causando que los niveles de energía de los electrones dentro de los átomos se dividan aún más. De manera similar, si aplica un campo magnético externo, tendrá los mismos efectos: dividir los niveles de energía de los electrones aún más que antes. Si bien, en la mayoría de los casos, estos efectos simplemente "aumentarán" las divisiones ya inducidas por la estructura fina e hiperfina dentro de los átomos, en algunos casos, incluso pueden causar nuevas divisiones adicionales en los niveles de energía: divisiones que desaparecen por completo si el el campo externo está apagado.

Lo que es más genial sobre el efecto Zeeman y el efecto Stark es que ambos son antiguos: más antiguos que la mayor parte de la historia sobre la estructura fina e hiperfina en los átomos. Pieter Zeeman descubrió el efecto de la división magnética de las líneas espectrales allá por 1896, mientras que Johannes Stark descubrió el efecto de división eléctrica análoga para las líneas de emisión y absorción allá por 1913. Incluso antes de que reconociéramos que los electrones tenían espín, que una órbita de espín estaba ocurriendo una interacción, o que los niveles de energía podían verse afectados por componentes magnéticos y eléctricos dentro de los propios átomos y moléculas, habíamos descubierto experimentalmente estos efectos.

A menudo ocurre, en la física y en muchas otras ciencias, que los "descubrimientos" experimentales u observacionales preceden con mucho a la explicación teórica que luego terminamos descubriendo para ellos. Tanto en el caso de los efectos Zeeman como en el de Stark, estos fueron descubrimientos de vital importancia en el camino hacia el desarrollo moderno de la mecánica cuántica, y fueron justamente galardonados con premios Nobel, respectivamente, en 1902 y 1919. En general, el efecto Stark puede ser enorme. , y por lo tanto, la división de la línea espectral, si está buscando "sintonizar" un átomo para absorber o emitir en una longitud de onda particular, se controla con campos magnéticos, en lugar de eléctricos. Sin embargo, la clave para crearlo es aplicar su campo al átomo emisor o absorbente, ¡no al fotón una vez que ya está en vuelo!

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