Transições eletrônicas e dipolos oscilantes.

1 de junho, 2020 às 21:17 | Postado em Estrutura da matéria, Mecânica quântica, Ondas eletromagnéticas, Radiação

Olá, tenho uma dúvida sobre transições eletrônicas. Eu li que uma transição eletrônica pode ser interpretada em termos de oscilações da densidade de probabilidade, e que essas oscilações podem ter a forma de um dipolo elétrico ou magnético. Sei que essa analogia com os conceitos clássicos de dipolo elétrico/magnético não deve ser feita de forma tão rigorosa. Mas podemos interpretar, de forma bem rudimentar, as oscilações na densidade de probabilidade como sendo a “posição” do elétron mudando, e assim esse constituindo um dipolo oscilante? E nesse caso, quem se comporta como esse dipolo, o elétron ou o átomo? Se puderem esclarecer melhor esses conceitos, ficaria grato, pois só consegui encontrar a análise matemática, que apesar de fazer sentido, deixa um pouco a desejar na interpretação física do fenômeno.

Na linguagem da mecânica quântica, transições eletrônicas são acompanhadas pela liberação ou absorção de quanta de um campo externo. No caso específico do campo eletromagnético, ou simplesmente da luz, fótons, que são os quanta de luz, podem ser emitidos ou absorvidos nessas transições eletrônicas. Dependendo da energia dessas transições, diferentes regiões do espectro eletromagnético estarão envolvidas. Por exemplo, transições eletrônicas envolvendo elétrons internos dos átomos estão relacionadas com a absorção ou emissão dos raios-X.  Já transições envolvendo elétrons de valência estão relacionadas com a absorção ou emissão de luz visível ou ultravioleta. Em outros sistemas, como em moléculas, transições vibracionais e rotacionais são responsáveis pela emissão ou absorção de luz infravermelha e micro-ondas, respectivamente.

Na linguagem da mecânica e do eletromagnetismo clássico, a onda eletromagnética (a luz) é produzida tipicamente por uma separação de cargas que muda com o tempo – o chamado dipolo elétrico oscilante. Antenas, átomos ou moléculas são exemplos de um dipolo elétrico oscilante. A frequência de oscilação do dipolo determina a frequência da luz emitida. Ondas eletromagnéticas com frequências na faixa dos KHz, MHz ou até GHz são produzidas por antenas “macroscópicas” nos nossos rádios, TVs e telefones celulares. Já os átomos se comportam como uma “antena” na faixa dos 1000 THz (10¹⁵ Hz) produzindo ou absorvendo, em geral, luz na região visível ou perto do visível do espectro eletromagnético.

Gif animado extraído da Wikipedia.

No limite da produção ou absorção de um número muito grande de quanta de luz (fótons) a descrição quântica e clássica se tornam equivalentes. De fato transições eletrônicas implicam num estado quântico anterior a emissão ou absorção que está em superposição de estados ditos estacionários. Em tais estados, a probabilidade de se encontrar um elétron não muda com o tempo, mas a superposição desses oscila no tempo com frequências relacionadas com diferença de energia dos estados estacionários na superposição. Assim, a probabilidade de encontrar os elétrons ou melhor, a densidade de carga negativa  oscila com o tempo, se comportando como um dipolo elétrico oscilante ou uma “antena”. Nessa formulação, a carga negativa dos elétrons oscila no tempo, mas a positiva, dos prótons, estaria fixa no centro. Porém, numa formulação mais completa, os prótons também poderiam estar num estado quântico. O fato é que devido a enorme diferença de inercia entre prótons e elétrons, o dipolo elétrico oscilante é basicamente devido aos elétrons em movimento na região atômica (na faixa dos Angstrons – 10^-10 m), enquanto que os prótons estão na região nuclear (~10^-15 m). Assim, distorções na nuvem eletrônica são responsáveis pelo dipolo elétrico do átomo. Sem essas distorções o dipolo do átomo seria nulo, assim como a sua carga.