Niveles de Energía Atómica

Átomos constituyen los bloques de construcción de todos los materiales existentes. En estos átomos, hay una parte central llamada núcleo (N en la Figura 1) que consta de protones y neutrones, alrededor del cual giran las partículas llamadas electrones. A continuación, es importante notar que no todos los electrones que componen el material considerado giran por el mismo camino. Sin embargo, esto no significa que sus trayectorias revolucionarias puedan ser aleatorias. Es decir, cada electrón de un átomo particular tiene su propia trayectoria dedicada, llamada órbita, a lo largo de la cual gira alrededor del núcleo central. Son estas órbitas las que se denominan niveles de energía de un átomo.

Esto se debe a que cada uno de ellos posee una cantidad dedicada de energía que se expresa en términos de un múltiplo integral de la ecuación
Donde h es la constante de Planck y υ es la frecuencia.

La Figura 2 muestra la energía finita poseída por diferentes estados de energía (y, por lo tanto, todos los electrones presentes en ellos) en electronvoltios (eV). A partir de la figura, se puede ver que la energía de los electrones aumenta a medida que uno se aleja del centro del átomo. Por ejemplo, un electrón en el primer estado de energía (E1) tiene una energía de -13.6 eV, el que está en el segundo (E2) posee una energía de -3.4 eV y así sucesivamente. Continuando así, uno puede llegar a un nivel en el que la energía se convierte en 0 eV, es decir, el nivel de energía E∞.

Ahora supongamos que estamos suministrando energía externa (que podría ser de cualquier manera, incluyendo la luz) al material. Esta energía suministrada será absorbida por los electrones presentes en los átomos que componen el material. Sin embargo, no se permite a los electrones absorber cualquier cantidad de energía que deseen. Esto se debe a que, si un electrón absorbe alguna energía, entonces su energía neta cambia. Esto a su vez significa que el electrón ya no puede permanecer en su nivel de energía original. Por ejemplo, un electrón en el estado de energía E1 absorbe 4 eV de energía. Al hacerlo, la energía neta del electrón aumentaría a
debido a lo cual ya no puede permanecer en el nivel de energía E1 que tiene su energía como -13.6 eV. Además, no puede encontrar ningún otro nivel que tenga una energía equivalente a la que tiene. ¡Esto hace que pierda su trayectoria!

Por otro lado, si este electrón absorbe una energía de 10.2 eV, entonces su energía aumentada sería

Esto no es más que la energía poseída por el nivel E2, lo que significa que el electrón que estaba anteriormente en E1 ahora está en el nivel de energía E2. En otras palabras, decimos que este electrón ha hecho una transición del nivel E1 al nivel E2 lo que a su vez conduce a un átomo excitado. Sin embargo, el electrón no puede permanecer en este estado inestable durante mucho tiempo. Pronto regresará a su estado original haciendo una transición del nivel E2 al nivel E1. Pero un punto importante a tener en cuenta aquí es el hecho de que, al hacerlo, el electrón emite una energía de 10.2 eV (que es la misma que la absorbida) en forma de ondas electromagnéticas.

A partir de la discusión presentada, es evidente que a los electrones solo se les permite absorber (o emitir equivalentemente) cantidades cuantizadas de energía. La cantidad de esta energía no es más que la diferencia en las energías de los niveles entre los cuales ocurre la transición. A continuación, a partir de la Figura 2, se ve que esta diferencia entre los estados de energía va disminuyendo a medida que uno se aleja de E1, es decir, …

Esto significa que los electrones en las capas más externas requieren menos cantidad de energía para excitarse que aquellos presentes en las capas más internas. Esto está de acuerdo con el hecho bien conocido de que los electrones presentes cerca del núcleo están fuertemente unidos a los átomos en lugar de los que están presentes lejos de él.
Aunque hemos explicado el proceso de excitación, el mismo modo de argumento es válido incluso para el caso de liberación. Esto se debe a que podemos asumir que el electrón, cuando se excita hasta el nivel de energía con una energía de 0 eV (E∞), estaría completamente libre de la fuerza atractiva del núcleo del átomo. Son estos electrones libres los que contribuyen a la conducción en el caso de materiales como los metales.

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