Procesos Cuánticos

Las propiedades cuánticas dominan los campos de la física atómica y molecular. La radiación está cuantizada de tal manera que, para una determinada frecuencia de radiación, solo puede haber un valor de energía cuántica en los fotones de la radiación. Los niveles de energía de los átomos y moléculas, solo pueden tener ciertos valores cuantizados. Las transiciones entre estos estados cuantizados, ocurre en los procesos de absorción, emisión, y emisión estimulada de fotones. Todos estos procesos requieren que la energía del fotón dado por la fórmula de Planck, sea igual a la separación de energías del par de estados de energías cuánticas participantes.

Absorción y Emisión

Tomando como ejemplo las transiciones de electrones asociadas en las interacciones visible y ultravioleta con la materia, la absorción de un fotón ocurrirá solamente cuando la energía cuántica del fotón, coincida precisamente con la separación de energías entre los estados inicial y final. En la interacción de la radiación con la materia, si no hay un par de estados de energía tal, que la energía del fotón pueda elevar el sistema desde el estado inferior al superior, entonces el material será transparente a esa radiación.

Los niveles de energías asociados con las moléculas, átomos y núcleos son en general niveles de energías discretos, cuantizados, y las transiciones entre esos niveles, implican normalmente la absorción o emisión de fotones. Aquí se ha utilizado como ejemplo los niveles de energía del electrón, pero en las vibraciones y rotaciones moleculares también existen niveles de energía cuantizados. Las transiciones entre estados cuánticos vibracionales, ocurren normalmente en el infrarrojo, y las transiciones entre estados cuánticos rotacionales, están normalmente en la región de las microondas del espectro electromagnético.

En los electrones excitados de los átomos o moléculas, es posible que tenga lugar algún otro tipo de interacción, que disminuya su energía antes de que pueda hacer una transición descendente. En ese caso podrían emitir un fotón de inferior energía y mayor longitud de onda. Este proceso si ocurre esencialmente de forma instantánea, se llama fluorescencia. También es posible que el material pueda sostener la energía de excitación por un largo tiempo, haciendo gradualmente transiciones descendentes con emisión. Esta emisión retardada se denomina fosforescencia. Puesto que por los coeficientes de Einstein A y B, se sabe que las probabilidades de absorción y emisión son iguales, la existencia de la fosforescencia, podría implicar que tuvo lugar alguna interacción rapidamente despues de la absorción inicial, que puso los electrones en un estado mucho mas estable y de larga vida, de modo que no pudieron caer inmediatamente hacia abajo.

Emisión Estimulada

Al igual que la absorción y la emisión, la emisión estimulada requiere que la energía del fotón dado por la fórmula de Planck, sea igual a la separación de energías del par de estados cuánticos de energías participante.

Fluorescencia

Si un fotón de alta energía es absorbido por un átomo o molécula mediante la excitación de un electrón y, a continuación este se somete rápidamente a alguna interacción con la red cristalina, o algún proceso de colisión, el electrón excitado puede ser transferido a un estado cuántico inferior. Si el electrón hace una transición de vuelta a su estado original, entonces, el fotón emitido será de menor energía de fotón y mayor longitud de onda.

Hay muchas aplicaciones útiles de fluorescencia. La "iluminación fluorescente" común, hace uso del hecho de que ciertos fósforos cuando son bombardeados con luz en el ultravioleta, se ven fluorescente en múltiples longitudes de onda en el rango de luz visible. Puesto que el vapor de mercurio en las lámparas fluorescentes, tiene una fuerte emisión en el ultravioleta cuando está excitado eléctricamente, esa luz UV puede causar que los revestimientos de fósforo en los tubos, se iluminen en el espectro visible, produciendo una fuente de luz mucho más eficiente que las luces incandescentes.

Muchos minerales fosforecen y se puede ver un resplandor visible cuando se iluminan con luz ultravioleta. La fluorescencia puede ser una herramienta útil para el estudio de los minerales. Con algunos sistemas se puede hacer espectroscopia de fluorescencia extensiva, mediante el bombardeo con fotones de alta energía, y la medición del espectro de la luz producida por fluorescencia. A menudo se utilizan los rayos X como fuente, y se estudian los fotones emitidos por fluorescencia, en el UV y el visible.

Muchos tipos de mariposas son fluorescentes, y cuando se iluminan con luz ultravioleta brillan en el visible. La fluorescencia puede causar que los objetos aparezcan más brillante, si se absorbe la luz de longitud de onda corta, y la devuelve por fluorescencia con una mayor longitud de onda. Algunos tipos de agentes blanqueadores para la ropa, hacen uso de este principio -el detergente puede contener un agente fluorescente que capta parte de la luz solar de longitud de onda corta, y la reemite por fluorescencia en una longitud de onda más larga, del rango visible.