Órbitas y niveles de energía

A diferencia de los planetas que orbitan alrededor del Sol, los electrones no pueden estar a cualquier distancia arbitraria del núcleo; sólo pueden existir en ciertos lugares específicos llamados órbitas permitidas. Esta propiedad, explicada por primera vez por el físico danés Niels Bohr en 1913, es otro resultado de la mecánica cuántica; en concreto, el requisito de que el momento angular de un electrón en órbita, como todo lo demás en el mundo cuántico, venga en paquetes discretos llamados cuantos.

En el átomo de Bohr los electrones sólo pueden encontrarse en órbitas permitidas, y estas órbitas permitidas están a diferentes energías. Las órbitas son análogas a un conjunto de escaleras en las que la energía potencial gravitatoria es diferente para cada peldaño y en las que una bola puede encontrarse en cualquier peldaño pero nunca entre ellos.

Las leyes de la mecánica cuántica describen el proceso por el que los electrones pueden pasar de una órbita permitida, o nivel de energía, a otra. Como ocurre con muchos procesos del mundo cuántico, este proceso es imposible de visualizar. Un electrón desaparece de la órbita en la que se encuentra y reaparece en su nueva ubicación sin aparecer en ningún lugar intermedio. Este proceso se llama salto cuántico o salto cuántico, y no tiene ningún análogo en el mundo macroscópico.

Debido a que las diferentes órbitas tienen energías diferentes, siempre que se produzca un salto cuántico, la energía que posea el electrón será diferente después del salto. Por ejemplo, si un electrón salta de un nivel de energía superior a otro inferior, la energía perdida tendrá que ir a alguna parte y, de hecho, será emitida por el átomo en un haz de radiación electromagnética. Este haz se conoce como fotón, y esta emisión de fotones con cambio de niveles energéticos es el proceso por el que los átomos emiten luz. Véase también láser.

De la misma manera, si se añade energía a un átomo, un electrón puede utilizar esa energía para dar un salto cuántico de una órbita inferior a una superior. Esta energía puede suministrarse de muchas maneras. Una forma común es que el átomo absorba un fotón de la frecuencia adecuada. Por ejemplo, cuando se proyecta luz blanca sobre un átomo, éste absorbe selectivamente las frecuencias correspondientes a las diferencias de energía entre las órbitas permitidas.

Cada elemento tiene un conjunto único de niveles de energía, por lo que las frecuencias a las que absorbe y emite luz actúan como una especie de huella dactilar, identificando el elemento concreto. Esta propiedad de los átomos ha dado lugar a la espectroscopia, una ciencia dedicada a la identificación de átomos y moléculas por el tipo de radiación que emiten o absorben.

Esta imagen del átomo, con electrones que suben y bajan entre órbitas permitidas, acompañados de la absorción o emisión de energía, contiene las características esenciales del modelo atómico de Bohr, por el que éste recibió el Premio Nobel de Física en 1922. Sin embargo, su modelo básico no funciona bien para explicar los detalles de la estructura de los átomos más complicados que el hidrógeno. Para ello es necesario introducir la mecánica cuántica. En la mecánica cuántica, cada electrón en órbita está representado por una expresión matemática conocida como función de onda, algo así como una cuerda de guitarra que vibra a lo largo de la trayectoria de la órbita del electrón. Estas formas de onda se denominan orbitales. Véase también mecánica cuántica: La teoría del átomo de Bohr.