Pergunte a Ethan: Como os campos magnéticos dividem os níveis de energia?

Uma das coisas mais notáveis ​​sobre a física é o quão universal ela é. Se você pegar a mesma espécie de núcleo atômico – com um número fixo de prótons e nêutrons – haverá apenas um conjunto fixo de níveis de energia que os elétrons que orbitam esse núcleo podem ocupar. À medida que os elétrons transitam entre os vários níveis de energia, eles emitem (à medida que caem para níveis de energia mais baixos) e absorvem (à medida que sobem para níveis de energia mais altos) fótons de um comprimento de onda e energia muito específicos: apenas os comprimentos de onda e energias permitidos pelas regras da mecânica quântica. Os valores para esses níveis de energia são universais: os mesmos para todos os átomos da mesma espécie em todos os lugares e em todos os momentos do Universo.

Até que você aplique um campo elétrico ou magnético externo. De repente, esses níveis de energia se dividem e assumem uma grande variedade de valores, com a quantidade de divisão dependendo inteiramente da intensidade do campo aplicado. Mas como isso é possível? Isso é o que Jon Coal quer saber, perguntando:

"Ei, você já fez um artigo sobre o efeito Zeemen? [...] Acho que o que estou tentando entender é que, teoricamente, a luz não pode ser dobrada por um campo magnético ou elétrico. Portanto, esses efeitos , Zeeman e Stark, eles estão modificando a estrutura atômica [em si]?"

O efeito Zeeman é o que vemos quando aplicamos um campo magnético externo, e o efeito Stark é o que vemos quando aplicamos um campo elétrico externo. Ambos realmente dividem os níveis de energia atômica, mas não da maneira que você poderia esperar.

Em primeiro lugar, é verdade: a luz, apesar de ser uma onda eletromagnética em si, não pode ser dobrada por um campo magnético ou elétrico. Os campos elétricos e magnéticos, notoriamente, fazem com que as partículas em movimento se dobrem, mas apenas se essas próprias partículas forem compostas de cargas elétricas diferentes de zero.

Mas um fóton não tem carga e não é feito de componentes carregados. Embora os campos magnéticos e elétricos externos possam polarizar essa luz, mudando a direção de seus campos enquanto ela se propaga, eles não podem dobrar a própria luz.

Mas o efeito Zeeman e o efeito Stark não são apenas reais, mas ambos foram observados experimentalmente há muito tempo. O desafio para os teóricos não é demonstrar quais efeitos não podem estar em jogo – o que mostra o fato de que os fótons não podem ser desviados por campos elétricos ou magnéticos – mas sim descobrir a causa crítica do efeito observado, explicando sua magnitude e as condições em que aparece.

A confusão surge aqui porque não é porque os átomos emitem luz e então essa luz se propaga por uma região onde há um campo elétrico ou magnético; essa é uma maneira de obter polarização, mas não uma maneira de obter a divisão dos níveis de energia, como no efeito Zeeman ou no efeito Stark.

Em vez disso, a maneira como você divide os níveis de energia dentro de um átomo (ou uma molécula, se preferir uma química mais complexa) é aplicando o campo elétrico ou magnético ao próprio átomo (ou molécula), antes da transição crítica de um nível de energia para outra ocorre. Esses fótons são criados dentro de um átomo ou molécula que já tinha esse campo externo aplicado a eles, e é aí que ocorre essa divisão. Deveríamos ter esperado, porque há uma maneira sutil de capturar o mesmo efeito subjacente que ocorre na natureza, mesmo sem um campo externo: por meio da fina estrutura dos átomos.

A maioria de nós, quando pensamos nos níveis de energia dos átomos, remonta ao modelo de Bohr, que em si foi revolucionário. Em 1912, Bohr postulou que os elétrons não orbitam exatamente o núcleo de um átomo da mesma forma que os planetas orbitam o Sol: mantidos no lugar por meio de uma força central invisível. Em vez disso, afirmava a ideia de Bohr, havia apenas certos estados particulares nos quais os elétrons podiam orbitar: orbitais, em oposição a possuir qualquer combinação de velocidade e raio que levasse a uma órbita estável no caso do movimento planetário.