Transición electrónica atómica

Mecanismo básico

En un átomo, los electrones solo pueden ocupar ciertos niveles de energía discretos, descritos por los números cuánticos (principal, angular, magnético y de espín). Cuando un electrón absorbe un fotón cuya energía coincide exactamente con la diferencia entre dos niveles (${\displaystyle \Delta E=h\nu }$, donde ${\displaystyle h}$ es la constante de Planck y ${\displaystyle \nu }$ la frecuencia), pasa a un estado excitado de mayor energía. Inversamente, cuando un electrón excitado decae espontáneamente a un nivel inferior, emite un fotón de la misma energía. Este proceso es la base de la espectroscopia atómica.^[5]

La probabilidad de que ocurra una transición entre dos estados está dada por las reglas de selección, que dependen de los números cuánticos involucrados. Por ejemplo, en átomos hidrogenoides, las transiciones permitidas deben cumplir ${\displaystyle \Delta l=\pm 1}$ (cambio en el momento angular orbital) y ${\displaystyle \Delta m=0,\pm 1}$. Las transiciones que violan estas reglas se denominan prohibidas y tienen una probabilidad mucho menor, aunque no son absolutamente imposibles.^[5]

Carácter probabilístico

El salto cuántico es inherentemente probabilístico: no es posible predecir el momento exacto en que un electrón excitado decaerá. Solo se conoce la probabilidad por unidad de tiempo (la tasa de decaimiento ${\displaystyle \Gamma =1/\tau }$, donde ${\displaystyle \tau }$ es el tiempo de vida medio del estado excitado). Este comportamiento probabilístico no es un artefacto experimental, sino una característica fundamental de la mecánica cuántica, relacionada con la interpretación de Copenhague y el postulado de la medida.^[6]

Durante la transición, el sistema atómico se encuentra en una superposición coherente de los estados inicial y final. El colapso de la función de onda ocurre en el momento del salto, que se manifiesta por la emisión de un fotón (o, en experimentos de "salto cuántico", por un cambio abrupto en la fluorescencia del átomo).^[4]

Transiciones radiativas

Son aquellas acompañadas por la emisión o absorción de un fotón. Se clasifican en:

• Emisión espontánea: el electrón decae de un nivel excitado a uno inferior sin intervención externa. La tasa de emisión espontánea está dada por el coeficiente de Einstein A.
• Emisión estimulada: un fotón incidente induce la transición de un electrón excitado, produciendo un segundo fotón idéntico (misma fase, dirección y polarización). Es el principio básico del láser.
• Absorción: un fotón incidente es absorbido por el átomo, promoviendo al electrón a un nivel superior. La tasa de absorción depende de la densidad espectral de energía de la radiación incidente y del coeficiente de Einstein B.

Transiciones no radiativas

En ciertos sistemas, el electrón puede cambiar de nivel energético sin emitir o absorber un fotón. Esto ocurre mediante transferencia de energía a otro sistema, como:

• Relajación por colisiones: en un gas denso, la energía de excitación puede convertirse en energía cinética durante choques con otras partículas.
• Transferencia de energía (Förster): en sistemas moleculares o de puntos cuánticos, la energía puede transferirse a un aceptor cercano mediante interacciones dipolo-dipolo.
• Conversión interna: en moléculas, el electrón puede relajarse mediante vibraciones intramoleculares (acoplamiento electrón-fonón).