Spostare un interruttore, la lampadina si accende e si bagna la camera in una luce delicata: emissione di luce sembra semplice e diretto. Come spesso accade in natura, tuttavia, questo processo è meno semplice di quanto sembra. Gli scienziati fanno senso del modo in cui gli atomi eccitati emettono luce attraverso la meccanica quantistica, il ramo della fisica e della chimica che studia il comportamento della materia a livello atomico e subatomico.
Quantizzazione dell'energia
Sistemi di particelle in meccanica quantistica sono descritti da una funzione matematica chiamata una funzione d'onda. La funzione d'onda deve soddisfare diversi criteri. Deve restituire un singolo valore per ogni set di input; deve essere continuo su tutta la sua gamma; e il quadrato assoluto della funzione d'onda deve essere integrabile. Inoltre, deve soddisfare l'equazione di Schrodinger dipendente dal tempo. Le condizioni imposte la funzione d'onda implicano che solo determinate funzioni d'onda è possibili per un dato sistema, ognuno associato a un valore discreto di energia. In altre parole, l'energia è quantizzata. Non si può dare un atomo qualsiasi quantità di energia che si sceglie; può avere solo certi valori discreti di energia.
Stati eccitati
Lo stato di minima energia di un sistema quantistico è chiamato stato fondamentale, mentre gli Stati di alta energia sono chiamati stati eccitati. Prendere idrogeno per un esempio. Le funzioni d'onda di un atomo di idrogeno sono chiamate orbitali. Un atomo di idrogeno nel suo stato di terra avrà l'elettrone nell'orbitale più basso possibile, il 1s. Se hai dato l'energia dell'idrogeno atomo..--se assorbito un fotone della radiazione elettromagnetica, per esempio - l'elettrone "saltava" a un orbitale superiore e l'atomo ora sarebbe in uno stato eccitato.
Emissione
Gli atomi emettono energia sotto forma di radiazione elettromagnetica quando "decadono" ad un livello energetico inferiore, emettendo un fotone nel processo. L'atomo non può mai avere un'energia di esattamente zero. L'energia del fotone che emette deve essere uguale la differenza di energia tra lo stato eccitato e lo stato finale. Questa energia è a sua volta corrisponde alla frequenza della luce che emette come dettato dall'equazione di Planck, E = hv, dove v è la frequenza e h è una costante.
Spettri
Quando gli atomi di un dato elemento sono riscaldati, emettono luce a determinate lunghezze d'onda caratteristiche. Questi spettri di emissione sono utili per i fisici e gli astronomi; anzi, sono stati uno degli indizi che hanno portato allo sviluppo della meccanica quantistica. Ne consegue anche che gli atomi possono assorbire solo fotoni cui energie corrispondono alla differenza tra due stati consentiti. Di conseguenza, le linee scure in uno spettro di assorbimento per un elemento sono presenti negli stessi luoghi come le linee luminose in uno spettro di emissione.