Transició electrònica atòmica

En física, es parla d'una transició electrònica-atòmica (també cridada transició atòmica o bot quàntic) quan un electró canvia d'un nivell energètic a un atre dins d'un àtom o àtom artificial. Es diu que la transició és discontínua quan l'electró "bota" d'un nivell energètic a un atre en un temps extremadament curt, de l'orde de nanosegundos o menys. El terme bote quàntic és a sovint utilisat com a sinònim, encara que tècnicament es referix al caràcter abrupte i impredictible de la transició a nivell individual.

Les transicions electròniques causen, o són causades per, l'emissió o absorció de radiació electromagnètica en forma d'unitats quantificades cridades fotons. L'estadística d'estos processos està descrita per la distribució de Poisson, i el temps entre bots seguix una distribució exponencial. El temps de vida de l'estat excitat (entre nanosegundos i varis segons) està relacionat en l'eixamplada natural de les llínees espectrals a través del principi d'incertitut energia-temps. Quant major siga la separació d'energia entre els estats involucrats, més curta serà la llongitut d'ona del fotó emés o absorbit.

Hans Georg Dehmelt va predir la possibilitat d'observar experimentalment els bots quàntics en 1975, la qual cosa es va conseguir per primera volta en 1986 pel NIST utilisant trampes de ions de mercuri.

Descripció física

Mecanisme bàsic

En un àtom, els electrons solament poden ocupar certs nivells d'energia discrets, descrits pels números quàntics (principal, angular, magnètic i d'espin). Quan un electró absorbix un fotó l'energia del qual coincidix exactament en la diferència entre dos nivells ($\Delta E=h\nu$, a on $h$ és la constant de Planck i $\nu$ la freqüència), pansa a un estat excitat de major energia. Inversamente, quan un electró excitat decau espontàneament a un nivell inferior, emet un fotó de la mateixa energia. Este procés és la base de la espectroscòpia atòmica.

La provabilitat de que ocórrega una transició entre dos estats està donada per les regles de selecció, que depenen dels números quàntics involucrats. Per eixemple, en àtoms hidrogenoides, les transicions permeses deuen complir $\Delta l=\pm 1$ (canvi en el moment angular orbital) i $\Delta m=0,\pm 1$. Les transicions que violen estes regles es denominen prohibides i tenen una provabilitat molt menor, encara que no són absolutament impossibles.

Caràcter provabilístic

El bot quàntic és inherentemente provabilístic: no és possible predir el moment exacte que un electró excitat decaurà. Solament es coneix la provabilitat per unitat de temps (la taxa de decaiguda $\Gamma =1/\tau$, a on $\tau$ és el temps de vida mig de l'estat excitat). Este comportament provabilístic no és un artefacte experimental, sino una característica fonamental de la mecànica quàntica, relacionada en la interpretació de Copenhague i el postulat de la mida.

Durant la transició, el sistema atòmic es troba en una superposició coherent dels estats inicial i final. El colapse de la funció d'ona ocorre en el moment del bot, que es manifesta per l'emissió d'un fotó (o, en experiments de "bot quàntic", per un canvi abrupte en la fluorescència de l'àtom).

Tipos de transicions

Transicions radiativas

Són aquelles acompanyades per l'emissió o absorció d'un fotó. Es classifiquen en:

• Emissió espontànea: l'electró decau d'un nivell excitat a un inferior sense intervenció externa. La taxa d'emissió espontànea està donada pel coeficient d'Einstein A.
• Emissió estimulada: un fotó incident induïx la transició d'un electró excitat, produint un segon fotó idèntic (mateixa fase, direcció i polarisació). És el principi bàsic del làser.
• Absorció: un fotó incident és absorbit per l'àtom, promovent a l'electró a un nivell superior. La taxa d'absorció depén de la densitat espectral d'energia de la radiació incident i del coeficient d'Einstein B.

Transicions no radiativas

En certs sistemes, l'electró pot canviar de nivell energètic sense emetre o absorbir un fotó. Açò ocorre per mig de transferència d'energia a un atre sistema, com:

• Relaixació per colisions: en un gas dens, l'energia d'excitació pot convertir-se en energia cinètica durant chocs en atres partícules.
• Transferència d'energia (Förster): en sistemes moleculars o de punts quàntics, l'energia pot transferir-se a un acceptor propenc per mig d'interaccions dipol-dipol.
• Conversió interna: en molècules, l'electró pot relaixar-se per mig de vibracions intramoleculares (acoplament electró-fonón).