miniaturadeimagen|403x403px|Ilustración de la excitación electrónica: excitación por fotón (izquierda) y por colisión de partículas (derecha). En el caso más simple de fotoexcitación, un solo fotón excita una sola partícula cuántica.
La fotoexcitación es un fenómeno físico en el que un sistema cuántico (como un átomo, una molécula o un núcleo atómico) alcanza un estado excitado mediante la absorción de un fotón. El estado excitado se origina por la interacción entre el fotón y el sistema cuántico, siempre que la energía del fotón sea insuficiente para causar fotoionización (es decir, para ionizar el átomo o la molécula). El ejemplo más simple de este proceso es la excitación electrónica, donde un electrón transita de un orbital de menor energía a uno de mayor energía dentro del átomo o molécula.
Fundamentos físicos La energía de un fotón es directamente proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética asociada, según la relación de Planck-Einstein: , donde es la constante de Planck y es la frecuencia. Por lo tanto, la luz con frecuencias más bajas (longitudes de onda más largas, como la radiación infrarroja) se asocia con fotones de menor energía, mientras que la luz con frecuencias más altas (longitudes de onda más cortas, como la radiación ultravioleta) se asocia con fotones de mayor energía.
Para que ocurra la fotoexcitación, la energía del fotón debe coincidir exactamente (o estar dentro del ensanchamiento natural de la transición) con la diferencia de energía entre el estado fundamental y un estado excitado del sistema cuántico. Este es un ejemplo de la cuantización de la energía en sistemas atómicos y moleculares, descrita por la mecánica cuántica.
Aplicaciones y campos de estudio La fotoexcitación desempeña un papel fundamental en diversas áreas de la física, la química y la biología:
Fotoquímica: estudio de reacciones químicas inducidas por la absorción de luz. Luminiscencia: emisión de luz por parte de un material tras haber sido excitado (incluye fluorescencia y fosforescencia). Fotofísica: estudio de los procesos físicos que ocurren tras la absorción de luz. Fotosíntesis: proceso biológico mediante el cual plantas y otros organismos convierten la energía luminosa en energía química. Fotoelectroquímica: estudio de la interacción entre la luz y los sistemas electroquímicos. Fotobiología: estudio de los efectos de la luz sobre los organismos vivos.
Dispositivos y tecnologías basados en la fotoexcitación La fotoexcitación es aprovechada por numerosos dispositivos y tecnologías, entre ellos:
Células solares: dispositivos electrónicos que convierten la energía de la luz directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. La luz es absorbida por un semiconductor (generalmente silicio), generando pares electrón-hueco que se separan y producen corriente eléctrica.
Láseres de bombeo óptico: dispositivos que emiten luz mediante un proceso de amplificación óptica basado en la emisión estimulada de radiación electromagnética. El bombeo óptico es el proceso mediante el cual los átomos o moléculas del medio láser son excitados a niveles de energía superiores mediante la absorción de luz.
Diodos emisores de luz (LED): aunque el funcionamiento normal del LED se basa en la emisión espontánea por recombinación de electrones y huecos, los LED basados en puntos cuánticos (Q-LED) utilizan la fotoexcitación de los puntos cuánticos para generar luz de colores específicos.
Fotodetectores y fotodiodos: dispositivos que convierten la luz en corriente eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico interno o la fotoexcitación en semiconductores.
Materiales fotocrómicos: sustancias que cambian de color reversiblemente cuando son expuestas a la luz. El fotocromismo implica la transformación de una molécula entre dos formas isoméricas mediante la absorción de un fotón, cada una con diferentes espectros de absorción.
Ejemplo: fotocromismo del BIPS Un ejemplo bien conocido de fotocromismo es el de la molécula BIPS (2H-1-benzopirano-2,2'-indolinas). Esta molécula puede transformarse entre una forma trans (incolora) y una forma cis (coloreada) mediante la absorción de un fotón de alta energía (ultravioleta). La forma cis presenta una banda de absorción transitoria en 21050 cm⁻¹ (aproximadamente 475 nm, luz azul), mientras que la forma trans absorbe en 16950 cm⁻¹ (aproximadamente 590 nm, luz amarilla). Cuando el BIPS se incorpora en geles y se expone repetidamente a un haz de bombeo UV de alta energía, el material pasa de una apariencia incolora a un color marrón o rosa, debido a la acumulación de la forma cis.
Fotoexcitación nuclear A escala nuclear, la fotoexcitación (también denominada fotoabsorción nuclear) se refiere a la excitación de un núcleo atómico a un estado de mayor energía mediante la absorción de un fotón de rayos gamma. Este proceso puede producir resonancias de nucleones individuales y la formación de bariones delta (Δ) en los núcleos.
La fotoexcitación nuclear es relevante en: Estudios de estructura nuclear. Procesos astrofísicos (nucleosíntesis). Aplicaciones en medicina (producción de isótopos mediante reacciones fotonucleares).
Véase también Excitación electrónica Fotón Fotoquímica Fotofísica Fotobiología Fotoelectroquímica Efecto fotovoltaico Efecto fotoeléctrico Modelo de dos temperaturas Transición electrónica
Referencias
Lecturas complementarias
Enlaces externos Khan Academy: Luz y fotones Fotocromismo – Chemistry LibreTexts
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