Niveles atómicos de energía

este es un modelo muy simple del átomo el núcleo en el centro del átomo es donde viven los protones y neutrones pero son medio aburridos porque nada más se quedan ahí sentados el protagonista aquí es el electrón el electrón le toca hacer todas las cosas interesantes cómo moverse saltar por todos lados enlazarse con otros átomos estas líneas punteadas representan los niveles de energía que puede tener un electrón dentro de un átomo nos gusta representar estos niveles de energía con diagramas de niveles de energía con los diagramas de niveles de energía podemos mostrar cuánta energía tiene un átomo sin tener que dibujar un átomo con un montón de círculos alrededor supongamos que nuestro átomo hipotético tiene un nivel de energía de 0 de 4 v 6 cb y 7 electro volts observa que moverse a la derecha o izquierda en un diagrama de niveles de energía no significa nada técnicamente no tenemos al eje x en los diagramas de niveles de energía pero de todas formas lo ponemos porque hace que el diagrama se vea bien lo único que importa es el cual nivel de energía se encuentra el electrón o sea en cual escalón observa que el electrón de este acto muy hipotético solo puede existir en el nivel 0 4 6 ó 7 ve los electrones no pueden existir en medio de 2 niveles de energía siempre tienen que estar en alguno de los niveles pero bueno digamos que nuestro electrón empieza en el nivel de energía 0 v supongo que es bueno saber que al nivel de energía más bajo que puede tener un electrón le llamamos estado fundamental y cómo pasan los electrones del estado fundamental a cualquier otro nivel bueno para que el electrón llegue a un de energía más alto tenemos que darle más energía al electrón y si sabemos cómo darle más energía le aventamos luz y un fotón con la energía adecuada choca contra un electrón el electrón absorbe la energía del fotón y salta a un nivel de energía mayor un electrón en este estado fundamental necesita 4 electro volts para saltar al siguiente nivel de energía o sea que si un fotón con energía 4 m llega y choca contra el electrón el electrón absorbe la energía del fotón haciendo que desaparezca y saltando al siguiente nivel de energía al primer nivel de energía después del estado fundamental le llamamos el primer estado excitado una vez que el electrón se encuentra en un nivel de energía mayor no se va a quedar ahí mucho tiempo los electrones si se les permite bajar el menor nivel de energía posible nuestro electrón bajará al estado fundamental liberando 4 electro volts de energía y la forma en que los electrones liberan energía es emitiendo un fotón si es que después de regresar al estado fundamental el electrón emite un fotón de 4 electro volts aunque los electrones no tienen que saltar los niveles de energía uno por uno si un electrón en el estado fundamental absorbe un fotón de 6 electro volts el electrón salta directamente al nivel de energía 6 v y ya que está en un mayor nivel de energía va a tratar de regresar pero en este caso hay varias formas en las que podría regresar el electrón podría regresar al estado fundamental de un solo salto emitiendo un fotón de 6 v pero como el electrón empezó en el nivel de energía de 6 v también puede bajar primero al nivel de energía 4 m emitiendo un fotón de 2 electro volts es un fotón 2 v porque el electrón bajó 2 electro volts de energía y como ahora está en el nivel de energía de 4 bajará al estado fundamental emitiendo un fotón de 4 v así es que los electrones a veces bajan varios niveles en un solo salto pero a veces deciden bajar escalón por escalón de cualquier forma la energía del fotón siempre es igual a la diferencia entre los niveles de energía del electrón ahora qué pasa si nuestro electrón está en el estado fundamental y llega un fotón de 5 electro volts si nuestro electrón absorbiera la energía del fotón tendría un nivel de energía de 5 electro volts pero este no es un nivel de energía válido así es que el electrón no puede absorber al fotón y el fotón solo pasará a través del átomo recuerda que el electrón del átomo o absorbe toda la energía del fotón o ninguna no puede absorber sólo una parte bueno ya es hora de averiguar cuáles son los fotones que este átomo hipotético puede absorber si un electrón se encuentra en el estado fundamental puede absorber un fotón de 4 v de 6 v o de 7 v si un electrón se encuentra en el segundo nivel de energía también conocido como el primer estado excitado el electrón puede absorber un fotón de 2 v o de 3 v y si un electrón se encuentra en el tercer nivel de energía o sea el segundo estado excitado el electrón solo puede absorber un fotón de un electro volt esos son los únicos botones que este átomo puede absorber fotones con 2.5 electro volts solo van a pasar a través del átomo fotones con 5 electro volts solo pasan a través del átomo fotones con 5.3 electro volts pasan a través del átomo lo que esto significa es que si encendemos una luz que consiste en todas las longitudes de onda posibles y la dirigimos a través de un gas compuesto por puros átomos como este no todas las longitudes de onda lograrían atravesar el gas algunas de esas ondas serían absorbidas y dispersadas en direcciones aleatorias lo cual se manifestaría en forma de líneas oscuras en el espectro de luz las longitudes de onda faltantes o sea los niveles de energía faltantes corresponden a la energía de fotones que nuestros electrones pueden absorber es como la huella digital de un átomo y se les llama el espectro de absorción de ese átomo si alguna vez observas este patrón de líneas oscuras en exactamente la misma posición sabrás que el gas que estás observando está por lo menos parcialmente compuesto por estos átomos hipotéticos y es esto lo que les permite a los astrónomos determinar de qué está hecho nuestro universo aunque no podamos acercarnos lo suficiente como para tomar una muestra lo único que necesitamos es recolectar luz de alguna estrella lejana una cuásar que brille a través de las cosas que nos interesan y luego determinar qué longitudes de onda o niveles de energía son los que desaparecieron los detalles son un poquito más complicados pero esto es lo que les da a los astrónomos probablemente la herramienta más útil que tienen ahora el espectro de absorción son todas las longitudes de onda o niveles de energía que el átomo absorbe cuando la luz pasa a través de él también podrías preguntar por el espectro de emisión el espectro de emisión son todas las longitudes de onda o energía que el átomo emite cuando los electrones saltan a niveles de energía más bajos puedes tomar todas las formas posibles en las que un electrón baja su nivel de energía pero vas a obtener las mismas longitudes de onda para el patrón de emisión que para el de absorción así es que si en lugar de hacer pasar a un rayo de luz a través de un gas compuesto por sus átomos hipotéticos digamos que pusiste en un contenedor un gas compuesto únicamente por tus átomos y haces que pase una corriente eléctrica a través de él excitando sus electrones a un mayor nivel de energía y luego dejando que regresen a un nivel de energía más bajo eso es lo que sucede en las lámparas de neón o si estás en el laboratorio eso es lo que pasa en los tubos de descarga de gas entonces para el espectro de emisión en lugar de ver el espectro electromagnético completo pero sin algunas líneas sólo vas a ver unas cuantas líneas que corresponden a la energía de los fotones que el átomo está emitiendo pero creo que tengo que ser honesta en esto a cualquier físico que esté viendo este vídeo seguro le están dando unos escalofríos tremendos porque la energía que tienen los electrones no positiva la energía que pueden tener los electrones siempre tiene valores negativos y esto es porque los electrones se enlazan con los átomos cualquier cosa que se enlace con otra cosa tiene la energía total negativa una analogía es una pelota atrapada al fondo de una zanja si la pelota no se mueve tiene energía cinética cero y si suponemos que el estado fundamental está a nivel del piso a nivel h igual a cero entonces la pelota tiene una energía potencial gravitacional negativa y como la pelota tiene energía total negativa está atrapada en la zanja si alguien pudiera darle suficiente energía como para que tuviera energía total positiva la pelota podría salir de la zanja y no seguiría atrapada para hacer que nuestro átomo hipotético sea un poco más realista vamos a restar 10 electro volts a cada nivel de energía no cambian nada en realidad para que el electrón pase del estado fundamental de menos 10 v al primer estado excitado de menos 6 v sigue necesitando un fotón con 4 electro volts de energía las personas suelen confundirse con los valores negativos así es que ten mucho cuidado para encontrar la energía del fotón que fue absorbido permitido siempre tomas el nivel de energía anterior y le restas el nuevo nivel de energía en este caso tomaríamos menos 6 v y le restaría mos menos 10 v lo cual nos queda como 4 v eso nos dice que se necesita un fotón de 4 electro volts de energía para hacer que el electrón salte es el nivel de energía y que el electrón emitiría un fotón de 4 electro volts si regresará de ese nivel de energía otra cosa que es poco realista acerca de nuestro átomo hipotético es que un átomo real no tendría tres electro volts como su máximo nivel de energía los átomos reales tienen niveles de energía que se aproximan y se aproximan cada vez más al nivel de cero electro volts y qué pasa cuando un electrón obtiene más de cero electro volts de energía bueno pues si un electrón tiene más de cero de energía eso significa que tiene energía positiva y si tiene energía positiva ya no está enlazado al átomo tiene la libertad de irse y se va a ir y nosotros vamos a decir que hemos guionizado al átomo cuando le quitamos el electrón por ejemplo si el átomo empezó en el nivel de energía -4 y absorbió un fotón con -7 electro volts de energía entonces ese electrón ahora tiene 3 m de energía positiva así es que ya se salió del átomo