FÍSICA DE SEMICONDUCTORES Espectros Atómicos UN Diego Antonio Gómez Prieto fsc13Diego Mayo de 2015

Espectro electromagnético amplio El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio.

Espectro electromagnético generado por excitaciones externas Para entender el concepto de excitación atómica es preferible basarse en el hidrogeno debido a que por su estado de tener un único electrón las observaciones son más sencillas y entendibles, el estado fundamental del átomo de hidrógeno se presenta cuando su único electrón presenta el nivel de energía más bajo posible (es decir que tiene los números cuánticos de menor valor).

Espectro electromagnético generado por excitaciones externas Al dar una energía adicional al átomo por ejemplo por medio de calentamiento a alatas temperaturas, excitación eléctrica o por la absorción de un fotón con la energía necesaria, el electrón puede entonces moverse a un estado excitado (aumentar el valor de uno o varias de sus números cuánticos. Se debe tener en cuenta que si se administra energía de más al electrón, éste se liberará del átomo de hidrogeno y el átomo se ionizaría generando un ion positivo también llamado catión se observa que después de la excitación el átomo regresa de nuevo a tu estado fundamental, pues éste es el único estado estable y no metaestable o transitorio como los demás estados energéticos que pueden presentar los átomos, al regresar a su estado fundamental el átomo librea fotones con una energía igual a la diferencia de energía entre los niveles inicial y final.

Espectro electromagnético generado por excitaciones externas La emisión de fotones provenientes de átomos en diferentes estados excitados conduce a un espectro electromagnético que muestra una serie de características líneas de emisión, específicamente para el átomo de hidrogenose utilizan las series de Lyman, de Balmer, Paschen, Brackett y de Pfund para identificar las características del espectro de emisión generado, siendo la serie de Balmer la más utilizada. La serie de Balmer es el conjunto de rayas que resultan de la emisión del átomo de hidrógeno cuando un electrón transita desde un nivel de energía superior al nivel de energía fundamental, La longitud de onda, para cada línea de Balmer, se puede calcular mediante la formula de Rydberg: 1 𝜆 = 𝑅 𝐻 1 𝑙 2 − 1 𝑚 2 Donde 𝑅 𝐻 es la constante de Rydberg para el hidrógeno (aproximadamente 109 677 𝑐𝑚 −1 , l=2 y m un numero entero mayor que 2 El espectro visible las líneas de emisión del hidrógeno en la serie de Balmer

Espectro electromagnético generado por excitaciones externas La Fórmula Rydberg es usada en la física de particulas para identificar y caracterizar las longitudes de ondas de las líneas espectrales o espectros de emision de muchos elementos químicos. La fórmula fue inventada por el físico Johannes Rydberg y presentada el 5 de noviembre de 1888. la formula puede ser expresada de la siguiente manera: 1 𝜆 = 𝑅 𝐻 1 𝑛 1 2 − 1 𝑛 2 2 Donde 𝜆 es la longitud de onda de la luz emitida en el vacío, 𝑅 𝐻 es la constante de Rydberg para el hidrogeno y n1 y n2 son enteros tales que n1<n2, reemplazando los valores de n1 por enteros y n2 a partir de 2 tendiendo al infinito obtenemos la siguiente tabla: 𝑛 1 𝑛 2 nombre Converge a 1 2→ ∞ Serie de Lyman 91 nm 2 3→ ∞ Serie de Balmer 365 nm 3 4→ ∞ Serie de Paschen 821 nm 4 5→ ∞ Serie de Brackett 1459 nm 5 6→ ∞ Serie de Pfund 2280 nm 6 7→ ∞ Serie de Humphreys 3283 nm

Espectro electromagnético generado por excitaciones externas Un átomo en un estado excitado de alta energía se le llama átomo de Rydberg, mientras que un sistema de átomos altamente excitados puede formar un estado excitado condensado de vida media larga, por ejemplo, una fase condensada compuesta completamente de átomos altamente excitados: la materia de Rydberg. Así pues un átomo o cualquier otro sistema puede excitarse por absorción de fotones de una frecuencia característica, o también mediante el calor o la electricidad que al regresar a su nivel de energía fundamental libera fotones generando una serie de líneas (serie de Balmer) las cuales son propias de cada átomo, con la serie de Balmer se puede identificar cada elemento que compone un material por eso es utilizada esta técnica para identificar los componentes de un compuesto desconocido.

Espectro de emisión y absorción Espectro de absorción El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento. El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido. El espectro de absorción de un material muestra la fracción de la radiación electromagnética incidente que un material absorbe dentro de un rango de frecuencias. Es el “opuesto” del espectro de emisión. Cada elemento posee líneas de absorción en algunas longitudes de onda, lo que está relacionado con las diferencias de energía de sus distintos orbitales.

Problema Usando la siguiente ecuación se determina la energía en función del nivel de energía n: 𝐸 𝑛 = 𝑛 2 𝜋 2 𝒽 2 2𝑚𝐿 2 = (6,63× 10 −34 ) 2 8∗9,11×10 −31 ∗ ( 10 −9 ) 2 ∗ 𝑛 2 = 6,03×10 −20 𝐸 1 = 6,03×10 −20 𝐽=𝟎,𝟑𝟕𝟕𝒆𝑽 𝐸 2 =4∗0,377𝑒𝑉=𝟏,𝟓𝟎𝟖𝒆𝑽 𝐸 3 =9∗0,377𝑒𝑉=𝟎,𝟑𝟕𝟕𝒆𝑽