Tras la absorción de energía, un electrón tiene la posibilidad de dar un salto que lo lleve desde un estado fundamental a otro de los estados cuánticos con más energía, catalogado como excitado.
Los niveles de energía entran en juego y adquieren visibilidad en múltiples contextos. En el ámbito de la salud, por ejemplo, se relaciona esta idea a la fuerza o vitalidad que se puede conseguir o perder en función de la edad de alguien, su estilo de vida o sus hábitos. No tener una alimentación equilibrada y saludable, no descansar lo suficiente y las enfermedades, por ejemplo, llevan a perder energía, así como hacer actividad física, nutrirse adecuadamente y dormir bien contribuyen a elevar los niveles de energía.
En mecánica cuántica, química y en las ramas tanto de la llamada física de partículas como de la física nuclear también está presente esta expresión, aunque asociada a cuestiones como los orbitales atómicos, los números cuánticos, la ecuación de Schrödinger, la configuración electrónica y el modelo atómico de Bohr (el cual abarca un postulado que plantea que los electrones emiten o absorben energía únicamente al saltar de una a otra órbita permitida, generando o capturando un fotón cuyo valor de energía surge de la diferencia energética entre los distintos niveles involucrados), por ejemplo.
Aprender de qué se trata esta noción y qué particularidades y alcances posee de acuerdo a su campo de aplicación permite entender y explicar numerosos fenómenos y realidades. De hacer foco en los átomos, concretamente, es posible apreciar y comprender la importancia que logran los niveles de energía ya que influyen significativamente en la manera de interactuar de los átomos.
La teoría marca que, con la absorción atómica de energía, cada electrón se desplaza a un nivel superior de energía, mientras que la pérdida energética provoca que los electrones desciendan de nivel. Los expertos en el tema indican que las transiciones electrónicas estimulan la generación o la impregnación de radiación electromagnética manifestada en fotones, estableciéndose en este marco la base de la espectroscopía.
Al observar la tabla periódica es posible hallar un amplio rango de niveles y subniveles de energía en los cuales se posicionan los electrones. Es útil, al mismo tiempo, dominar recursos propios de la física cuántica con el objetivo de aprovechar al modelo mecánico-ondulatorio vinculado a los átomos para predecir niveles energéticos principales.
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ResumenReglas relacionadas a los niveles de energía
Cuando se profundizan los saberes en cuanto a la configuración electrónica quedan al descubierto reglas y excepciones relacionadas a los niveles de energía.
Uno de esos postulados es el denominado principio de exclusión de Pauli, el cual es clave para entender varios rasgos característicos de la materia (como su volumen y estabilidad). Son consecuencia de él, por ejemplo, algunas propiedades magnéticas, mecánicas, químicas, óptimas y eléctricas de los sólidos.
Hay, desde hace tiempo, investigadores focalizados en investigar los transportes eléctricos no recíprocos, la superconductividad quiral y en cómo llevar a cabo diodos superconductores que podrían usarse en circuitos superconductores.
La regla o teoría del octeto, contenido que señala que, independientemente de cuál sea la variedad de enlace químico estudiado, el nivel más externo siempre estará rodeado por ocho electrones para lograr la estabilidad, excepto en casos puntuales. Átomos pertenecientes a gases nobles, por mencionar una referencia común, reflejan una estructura electrónica con niveles y subniveles completos en base a un octeto de electrones.
Una aproximación interesante a la explicación sobre conductividad en metales se consigue aplicando a los electrones de conducción el principio de Fermi-Dirac (cuya distribución es esencial para analizar los electrones libres en metales).
Aplicaciones prácticas
En la práctica, los niveles de energía poseen un extenso abanico de aplicaciones. Influyen, según se desprende de la realidad, en el funcionamiento de los láseres, tal el nombre de un proceso cuántico asombroso y de dispositivos donde la energía es emitida como radiación electromagnética.
Tampoco se puede pasar por alto el gran descubrimiento de tres investigadores en cuanto a la síntesis y utilización de puntos cuánticos, elementos fundamentales para darle impulso a la nanotecnología. Como recompensa a sus contribuciones científicas en este campo, Alexei Ekimov, Moungi Bawendi y Louis Brus resultaron distinguidos con la edición 2023 del Premio Nobel de Química. En la vida cotidiana, los puntos cuánticos (cuyas propiedades de carácter optoelectrónico dan la posibilidad de, con su color o longitud de onda, sintonizar cada nivel de energía) sirven para que profesionales vinculados al plano de la salud mapeen tejidos biológicos, para darle matices lumínicos a lámparas LED y para iluminar pantallas televisivas y de computadora.
La creación de una energía solar de características cuánticas en condiciones de autorregularse a nivel térmico y los puntos cuánticos al servicio de células solares más eficientes son dos de los desafíos que tienen por delante muchos científicos.
Desafíos en la manipulación e interpretación de niveles de energía
Aunque se ha avanzado mucho y son constantes las investigaciones científicas, todavía hay desafíos relacionados a la manipulación y la interpretación de los niveles de energía.
Hay en este marco un atractivo potencial tecnológico, mejoras por implementar y cientos de interrogantes que, seguramente, irán encontrando respuesta gracias al trabajo de los investigadores.
Tiempo atrás, por ejemplo, se anunció la localización exacta del punto interno de un átomo en el cual nace la luz cuántica: esto beneficia, gracias a que se podrán optimizar los interferómetros, a la astrofísica, a las exploraciones médicas y a la computación cuántica, entre otras áreas.
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