Estat excitat

Archiu:Energy levels.svg

Despuix d'absorbir energia, un electró pot botar des del estat fonamental a un estat excitat de major energia.

En mecànica quàntica, un estat excitat d'un sistema (com un electró, núcleu atòmic, àtom, o molècula) és qualsevol estat quàntic, que gojant d'una major energia que l'estat fonamental, és dir, més energia que el mínim absolut, "decau espontàneament" evolucionant cap a l'estat fonamental.

La vida útil d'un sistema en un estat excitat sol ser curta: l'emissió espontànea o induïda d'un quant d'energia (com un fotó o un fonón) per lo general ocorre poc en acabant de que el sistema haja segut promogut a l'estat excitat, tornant el sistema a un estat en una energia més baixa (un estat menys excitat o l'estat fonamental). Esta tornada a un nivell d'energia és, a sovint imprecisamente cridat decaiguda i és l'invers de l'excitació.

Els estats excitats de vida mija llarga es diuen a sovint metaestables. Els isòmers nuclears de vida mija llarga, i l'oxigen singlete són dos eixemples d'açò.

Excitació atòmica

Archiu:Eccitazione atomica per assorbimento di un fotone.svg

Excitació atòmica per absorció d'un fotó γ.

Archiu:Eccitazione atomica per collisione.svg

Excitació atòmica per colisió, per eixemple per aument de calor.

Un eixemple senzill d'excitació atòmica és la que es troba en l'àtom d'hidrogen, en particular en l'estat del seu únic electró. Un electró en un àtom d'hidrogen pot tindre diversos estats energètics, tal com prediu adecudamente el Model atòmic de Schrödinger, l'estat de més baixa energia és el cridat estat fonamental.

l'estat fonamental de l'àtom d'hidrogen correspon a tindre l'únic electró de l'àtom en l'òrbita o nivell d'energia més baix possible, (és dir, la funció d'ona "1s", que presenta simetria esfèrica, i que té els números quàntics més baixos possibles). En donar una energia adicional a l'àtom (per eixemple, per l'absorció d'un fotó d'una energia adequada, o per calfament a alta temperatura, o per excitació elèctrica dins d'un camp elèctric), l'electró és capaç de moure's a un estat excitat (un estat en un o més números quàntics majors que el mínim possible). Si el fotó té massa energia, l'electró deixa d'estar vinculat a l'àtom, escaparà de l'àtom, i l'àtom quedarà convertit en un ion positiu o catión, és dir, l'àtom es ionizará.

Empíricamente s'observa que despuix de l'excitació, l'àtom passa a un estat excitat inferior, o a l'estat fonamental, emetent un fotó en una energia característica, igual a la diferència d'energia entre els nivells d'eixida i arribada. Açò es dona perque realment tots els estats excitats de fet són estats metaestables sent l'únic estat verdaderament estable l'estat fonamental. El pas a un nivell d'energia inferior va a compañado de l'emissió de fotons per àtoms en diferents estats excitats conduïx a un espectre electromagnètic que mostra una série de característiques llínees d'emissió (tenim, en el cas de l'àtom d'hidrogen, la série de Lyman, série de Balmer, série de Paschen, série de Brackett i série de Pfund.) Ni la mecànica quàntica ordinària, ni el model atòmic de Schrödinger explicaven perque els estats excitats no eren indefinidament estables. En el desenroll de l'electrodinàmica quàntica es va comprovar que la possibilitat de que existiren fluctuacions del camp electromagnètic feya que el hamiltoniano del sistema format per l'àtom i la seua possible interacció quàntica en el camp electromagnètic fluctuante del buit, feya que els estats excitats de fet no foren pròpiament estats estacionarios i per tant, només eren estats metaestables que acabaven decaent.

Un àtom en un estat excitat de molt alta energia es denomina àtom de Rydberg. Un sistema d'àtoms altament excitats pot formar un estat excitat condensado de vida mija llarga, per eixemple, una fase condensada composta completament d'àtoms altament excitats: la matèria de Rydberg.

Aixina que, un àtom o qualsevol atre sistema pot excitar-se per absorció de fotons d'una freqüència característica, o també per mig de la calor o l'electricitat.

Causes de l'inestabilitat

Els estats excitats per a un àtom hidrogenoide, calculats pel model atòmic de Schrödinger es veuen afectats per la presència de fluctuacions mecanocuánticas del buit. Aixina quan el Hamiltoniano d'un àtom hidrogenoide es complica per a representar l'interacció entre els electrons en qualsevol estat lligat i els fotons virtuals associats al camp electromagnètic succeïx alguna cosa notable: tots els estats lligats per damunt de l'estat fonamental, passen a ser estats metaestables, de fet la seua energia es pot representar com:

A on:

$E_k^{(em)}$ és l'energia corregida de l'estat excitat en presència del camp electromagnètic.

$E_k^{(0)}$ és l'energia de l'estat ligdo k-ésimo en el model de Schrödinger.

${\omega }_k=2\pi /T_k$ és la freqüència de decaiguda, a on $T_k$ representa el temps mig de supervivència de l'estat excitat.

l'equació de Schrödinger dus a que qualsevol estat excitat metaetable decaiga en l'estat fonamental segons una llei de decaiguda exponencial.

Excitació nuclear

Molts núcleus atòmics d'àtoms radioactivos poden considerar-se com a estats excitats. Com a tals, són estats metaestables que poden persistir durant llarcs periodos a pesar de no ser estables. No obstant, de la mateixa manera que succeïx en l'excitació atòmica dels electrons, passat un temps, l'estat metaestable del núcleu decau i emet algunes partícules alfa, beta o gamma.

De la mateixa manera que en el cas de l'excitació atòmica la llei de decaiguda dels materials radiactius resulta ser una llei exponencial:

La diferència principal en els estats excitats electrònics, és que els estats excitats típics de molts núcleus atòmic tenen una vida mija de mils d'anys i inclús millons d'anys.