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 1 s para estados no número quântico principal n=1,1 s 2 s ou 1 s 2 p ? Quais as condições para que ocorra uma transição 1 s 2 s 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 1sto2s e 1sto2p num átomo de hidrogênio inicialmente no estado fundamental e dizer sob que condições ocorre 1sto2s por absorção de fóton.

Passo 2

Absorção ocorre quando um átomo em estado mais baixo captura um fóton cuja energia hnu 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 De), 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:
De

Passo 5

Entre as transições 1sto2s e 1sto2p a única permitida em dipolo elétrico é 1sto2p (porque para 1sto2s teríamos De, violando De). Logo, 1sto2p é muito mais provável.

Passo 6

Para promover a transição 1sto2s 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 hnu=E2s-E1s.

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 De. A transição mais provável é 1sto2p. Para 1sto2s via absorção só ocorre por processo de dois fótons (ou termo quadrupolar) em campo intenso, pois a transição dipolar única é proibida.

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