4 Descreva os processos de absorção, emissão espontânea e emissão estimulada de fótons. Quais os princípios físicos estão envolvidos? O que são regras de seleção de uma transição? Qual a transição mais provável em um átomo de hidrogênio inicialmente no estado fundamental
para estados no número quântico principal
ou
? Quais as condições para que ocorra uma transição
pela absorção de um fóton?
Passo 1
O enunciado pede para descrever os processos de absorção, emissão espontânea e emissão estimulada de fótons, indicar os princípios físicos envolvidos, explicar o que são regras de seleção de transições atômicas, comparar as probabilidades das transições
e
num átomo de hidrogênio inicialmente no estado fundamental e dizer sob que condições ocorre
por absorção de fóton.
Passo 2
Absorção ocorre quando um átomo em estado mais baixo captura um fóton cuja energia
coincide com a diferença entre níveis de energia e salta para um nível superior. Emissão espontânea é o decaimento de um estado excitado para um estado de menor energia, emitindo um fóton sem a intervenção externa. Emissão estimulada acontece quando um fóton interage com um átomo excitado, fazendo-o decair e emitindo um segundo fóton idêntico ao incidente (mesma fase, direção e frequência).
Passo 3
Os princípios físicos envolvidos são: conservação de energia (o fóton fornece ou recebe exatamente
), quantização dos níveis atômicos (somente saltos entre níveis permitidos) e interação átomo-campo eletromagnético descrita pela teoria de perturbação quântica (coeficientes de Einstein para emissão e absorção).
Passo 4
Regras de seleção são critérios, geralmente derivados da simetria e do operador dipolar, que determinam quais mudanças de números quânticos são permitidas em transições dominadas pelo momento de dipolo elétrico. Para átomos hidrogenoides em transições dipolares válidas temos as regras principais:
Passo 5
Entre as transições
e
a única permitida em dipolo elétrico é
(porque para
teríamos
, violando
). Logo,
é muito mais provável.
Passo 6
Para promover a transição
por absorção de fóton único seria preciso violar a regra dipolar: em vez disso, a transição ocorre por processos de ordem superior (por exemplo, absorção de dois fótons simultâneos, transição quadrupolar ou em presença de campos externos que quebrem paridade). Assim, exige alta intensidade de campo (lâseres potentes) e sintonia de energia para dois fótons de
.
Resposta
Absorção, emissão espontânea e estimulada operam por conservação de energia e interação átomo-campo via coeficientes de Einstein; as regras de seleção dipolares exigem
. A transição mais provável é
. Para
via absorção só ocorre por processo de dois fótons (ou termo quadrupolar) em campo intenso, pois a transição dipolar única é proibida.