El estado fundamental se asocia a una cierta configuración electrónica.
El estado fundamental es el nivel más bajo de energía que puede tener una partícula o un sistema. Se trata de un concepto que se emplea en el ámbito de la física.
De acuerdo a la mecánica cuántica, los átomos -y en general los sistemas- pueden tener diferentes estados energéticos. El nivel de energía más bajo posible, también conocido como energía del punto cero, se considera el estado básico o fundamental: en este marco, la partícula no es excitada por fuentes externas ni dispone de carga. Cuando un átomo tiene dos o más estados fundamentales, a dichos estados se los califica como degenerados.
TemasQué es el estado fundamental
La comprensión del concepto de estado fundamental requiere entender previamente diversas nociones. Para empezar a desentrañar el significado, debe tenerse en cuenta que los elementos químicos tienen como unidad elemental a los átomos. Los átomos cuentan con un núcleo en torno al cual orbitan los electrones. Dicho núcleo atómico, a su vez, se forma con dos clases de partículas subatómicas: los neutrones (que carecen de carga eléctrica) y los protones (con carga eléctrica positiva).
El estado fundamental de un átomo, en este marco, está vinculado a una cierta disposición de los electrones. Si llega energía a un átomo, cada electrón la absorbe y hay un desplazamiento hacia un nivel de energía que resulta más alto. El átomo, de este modo, pasa a un estado excitado debido a esa absorción de energía.
Una onda, de cualquier longitud en el espectro electromagnético, puede ser la fuente de excitación del átomo. Entre ellas, el fotón (la luz). Esa emisión de energía de una fuente externa y la posterior absorción por parte del átomo provoca una serie de cambios subatómicos que generan una nueva configuración electrónica.
La energía potencial del átomo en el estado fundamental es inferior en comparación a la de un estado excitado. Para retornar al estado fundamental y recuperar su estabilidad, el átomo debe liberar aquella energía que anteriormente absorbió, para lo cual emite radiación electromagnética.
Puede decirse, en definitiva, que el átomo no se encuentra excitado en su estado fundamental. Esto se debe a que los electrones se sitúan en el nivel más bajo posible de energía.
El nivel de energía más bajo de una partícula es su estado fundamental.
Los orbitales
Como ya indicamos, un átomo en su estado fundamental presenta una determinada configuración electrónica: es decir, una manera específica de distribución de los electrones en el átomo.
Se conoce como orbital atómico a una región espacial que se sitúa rodeando al núcleo donde hay una alta probabilidad de hallar un electrón. Una capa electrónica, a su vez, es una cierta distribución del orbital en torno al núcleo: cada una de estas capas puede albergar una cantidad máxima de electrones y se la vincula a un rango energético de acuerdo a qué tan cerca o lejos está del núcleo.
Es importante tener en cuenta que el modo en que se completan naturalmente las capas electrónicas es el estado fundamental del átomo. Ese orden natural se asocia a la aplicación de tres reglas:
- Regla de Hund: Los subniveles de energía se llenan de forma individual. Esto supone que, si en un orbital quedan otras casillas o cajas vacías, los electrones las llenarán de forma individual previo al inicio del emparejamiento.
- Principio de Pauli: Un orbital puede albergar no más de dos electrones, cada uno de ellos con un estado opuesto de espín.
- Principio de Aufbau: Siempre los electrones evidencian una tendencia a completar el estado más bajo de energía antes de llegar a otros orbitales de nivel energético superior.
La aplicación de estas tres reglas define el estado fundamental del elemento químico. La configuración electrónica en cuestión supone la forma natural en que se organizan los electrones cuando no hay una fuente externa de excitación (o sea, cuando no reciben energía del exterior).
En cambio, si los átomos pasan a un estado excitado, la configuración electrónica se modifica. En este contexto, hay una desviación de los principios mencionados (de Hund, Paul y Aufbau).
En el estado fundamental de un átomo, sus electrones no están excitados.
El estado fundamental y el vacío cuántico
La idea de estado fundamental está asociada, en la teoría cuántica de campos, al vacío cuántico. Se llama vacío, en este contexto, al estado de menor energía posible.
Se entiende que en el vacío cuántico no hay partículas de tipo físico. En cambio, sí se registra una fluctuación de partículas y ondas electromagnéticas que, de manera constante, irrumpen y desaparecen.
Como objeto físico, el vacío cuántico puede cargarse de energía y así transformarse en diferentes clases de vacío. Sobre las partículas que se encuentran en el vacío cuántico actúan el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.
Es interesante indicar que en la teoría cuántica de campos existe el concepto de falso vacío. En ese caso, se hace referencia a una región espacial metaestable (lo que implica que está en equilibrio aparente aunque puede mutar a otro estado de mayor estabilidad) que parece encontrarse vacía.
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