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De onde se origina um fóton quando ocorre uma transição eletrônica em um átomo?

Olá, professores

Sempre aprendi que quando um elétron volta de um nível de maior energia para um nível mais interno o átomo emite um fóton, mas nunca entendi de onde esse fóton vem ou “onde ele está” antes de ser emitido. O fóton vem do núcleo do átomo? O fóton é simplesmente criado? Quantos fótons um átomo “pode emitir” através desse processo?

Obrigado!

Respondido por: Prof. Michel Emile Marcel Betz - IF-UFRGS

O fóton emitido quando um átomo num estado excitado decai para um estado de menor energia não vem do núcleo do átomo e, na verdade, não existe antes que ocorra a transição atômica. A teoria básica que descreve tais processos é a Eletrodinâmica Quântica. Nesta teoria, os processos básicos são a emissão e a absorção de um fóton por um elétron, mas sem que isso implique que o fóton estava dentro do elétron antes da emissão ou que ele volta para dentro do elétron na absorção. Por esta razão, talvez seja mais correto falar de criação e destruição de fótons. A Eletrodinâmica Quântica já foi abordada de maneira detalhada na resposta ao CREF intitulada Absorção de Fótons. Na presente resposta, serão focadas duas questões levantadas pela pergunta: quais são as quantidades conservadas num processo de decaimento atômico, e em que momento pode-se afirmar que um fóton foi criado?

No que diz respeito às quantidades conservadas, são aplicáveis as leis fundamentais de conservação da carga elétrica, da energia (incluindo-se energias de massa), do momentum linear e do momentum angular. Não existe uma lei de conservação do número de fótons. Em contraste, existe um número eletrônico conservado na eletrodinâmica quântica, desde que se atribua o valor +1 deste número a cada elétron e o valor -1 a cada pósitron (a antipartícula do elétron). Assim, a criação de apenas um elétron não ocorre na natureza; se um novo elétron for criado, ele necessariamente deverá vir acompanhado de um pósitron. É interessante mencionar que, ao estabelecer a sua famosa equação, um dos pilares da eletrodinâmica quântica, e ao descobrir que esta equação possui soluções de energia negativa, o físico inglês Paul Dirac avançou que o vácuo físico seria o estado no qual todos os estados de energia negativa estariam ocupados por elétrons. A criação de um par elétron-pósitron nada mais seria que a promoção de um elétron de um estado de energia negativa para um estado de energia positiva, sendo o “buraco” aberto no vácuo interpretado fisicamente como um pósitron. Nesta interpretação, o número total de elétrons é sempre conservado na eletrodinâmica. Quando se leva em conta as interações fracas, é preciso estender o conceito de número de elétrons para o de número leptônico eletrônico, pois um elétron pode se transformar num neutrino e pode surgir um novo elétron, desde que acompanhado por um antineutrino, como ocorre, por exemplo, no decaimento do nêutron.

Mas, voltando aos fótons, como eles podem surgir e sumir individualmente, e a energia de um fóton pode ser arbitrariamente pequena (já que a sua massa é nula), um número arbitrariamente grande de fótons pode ser produzido, em princípio, por qualquer processo regido pelas interações eletromagnéticas. A descrição teórica do estado de um átomo baseia-se no uso de um ente matemático, o vetor de estado, na evolução do qual, durante um processo atômico, elétrons podem mudar de órbita emitindo e absorvendo fótons, a priori de várias maneiras. Por exemplo, no caso de um átomo de hidrogênio num estado inicial bastante excitado, o elétron poderá voltar para o estado fundamental emitindo um único fóton, mas ele poderá também transitar por órbitas de energia intermediária, produzindo uma cascata de vários fótons. No caso de um átomo com mais de um elétron, um fóton emitido por um elétron numa órbita de alta energia poderá ser absorvido por outro elétron, comunicando a este uma energia de excitação que ele perderá emitindo um segundo fóton, etc. Em razão da relativa fraqueza da interação eletromagnética, a probabilidade de um processo diminui quando o número de emissões e absorções de fótons aumenta.

A energia e o momentum linear de um efêmero fóton presente num estado intermediário de um processo atômico não satisfazem, em geral, a relação conhecida da Relatividade Restrita; tais fótons são frequentemente denominados virtuais. Apenas os fótons presentes no estado final do processo satisfazem a relação energia-momentum e podem ser considerados reais.

Porém, de acordo com as regras da mecânica quântica, o vetor de estado final de um processo atômico consiste numa sobreposição linear de várias componentes nas quais os números de fótons presentes diferem. Os coeficientes desta sobreposição linear fornecem as probabilidades de ocorrência destas diferentes possibilidades. É preciso que haja uma observação para que se possa afirmar qual dessas possibilidades está de fato realizada. Por observação, não se deve entender necessariamente a intervenção de um olho humano mas, no mínimo, a interação do ou dos fótons com um sistema de amplificação capaz de registrar a presença de um fóton. Fotomultiplicadores e diodos de avalanche são exemplos. Na maioria dos casos, um fóton não sobrevive a tal detecção. Assim, pode-se afirmar, um tanto paradoxalmente, que a existência plena de um fóton é assegurada apenas quando ele já não existe mais.

 


Um comentário em “De onde se origina um fóton quando ocorre uma transição eletrônica em um átomo?

  1. Marcello disse:

    Linda última frase…

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