Estat excitat

L'excitació és una elevació en el nivell d'energia d'un sistema físic, per sobre d'un estat d'energia de referència arbitrari, anomenat estat fonamental. En física hi ha una definició tècnica específica per al nivell d'energia que s'associa sovint amb un àtom que està excitat cap a un estat excitat de major energia. En mecànica quàntica un estat excitat d'un sistema (com un electró, nucli atòmic, àtom, o molècula) és qualsevol estat quàntic del sistema que gaudeix d'una major energia que l'estat fonamental (és a dir, més energia que el mínim absolut).^[1] La temperatura d'un grup de partícules és indicativa del nivell d'excitació.

Després d'absorbir energia, un electró pot saltar des de l'estat fonamental a un estat excitat de més energia.

La vida útil d'un sistema en un estat excitat sol ser curta: l'emissió espontània o induïda d'un quàntum d'energia (com un fotó o fonó), normalment passa poc després que el sistema hagi estat promogut a l'estat excitat, tornant el sistema a un estat amb una energia més baixa (un estat menys excitat o l'estat fonamental). Aquest retorn a un nivell d'energia és, sovint, imprecisament anomenat desintegració i és l'invers de l'excitació. Els estats excitats del període de semidesintegració llarg s'anomenen metaestables. Tant els isòmers nuclears del període de semidesintegració llarg com l'oxigen singlet en són dos exemples.

Excitació atòmica

Un exemple senzill d'aquest concepte és l'àtom d'hidrogen. L'estat fonamental de l'àtom d'hidrogen correspon a tenir l'únic electró de l'àtom en l'òrbita o nivell d'energia més baix possible, (és a dir, la funció d'ona "1 s ", que presenta simetria esfèrica, i que té els nombres quàntics més baixos possibles). En donar una energia addicional a l'àtom (per exemple, per l'absorció d'un fotó d'una energia adequada, o per escalfament 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 amb un o més nombres quàntics grans que el mínim possible). Si el fotó té massa energia, l'electró deixa d'estar vinculat a l'àtom, s'escaparà d'aquest, i l'àtom quedarà convertit en un ió positiu o catió, és a dir, l'àtom s'ionitza.

Després de l'excitació, l'àtom podria tornar a un estat excitat inferior, o l'estat fonamental, emetent un fotó amb una energia característica, igual a la diferència d'energia entre els nivells de sortida i arribada. L'emissió de fotons per àtoms en diferents estats excitats condueix a un espectre electromagnètic que mostra una sèrie de característiques línies d'emissió (tenim, en el cas de l'àtom d'hidrogen, la sèrie de Lyman, sèrie de Balmer, sèrie de Paschen, sèrie de Brackett i sèrie de Pfund.)

Un àtom en un estat excitat de molt alta energia es denomina àtom de Rydberg.^[2] Un sistema d'àtoms altament excitats pot formar un estat excitat condensat de període de semidesintegració llarg, per exemple, una fase condensada composta completament d'àtoms altament excitats: la matèria de Rydberg.^{[nota 1]}

Així doncs, un àtom o qualsevol altre sistema pot excitar per absorció de fotons d'una freqüència característica, o també mitjançant la calor o l'electricitat.

Causes de la inestabilitat

Els estats excitats per a un àtom hidrogenoide, calculats pel model atòmic de Schrödinger es veuen afectats per la presència de fluctuacions mecano-quàntiques del buit. Així quan el Hamiltonià d'un àtom hidrogenoide es complica per a representar la interacció entre els electrons en qualsevol estat lligat i els fotons virtuals associats al camp electromagnètic succeeix una cosa #notable: tots els estats lligats per sobre de l'estat fonamental, passen a ser estats metaestables, de fet la seva energia es pot representar com:

${\displaystyle E_{k}^{(em)}=E_{k}^{(0)}+i\hbar \omega _{k}}$

On:

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

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

${\displaystyle \omega _{k}=2\pi /T_{k}}$ és la freqüència de decaïment, on ${\displaystyle T_{k}}$ representa el temps mitjà de supervivència de l'estat excitat.

L'equació de Schrödinger porta al fet que qualsevol estat excitat metaetable decaigui en l'estat fonamental segons una llei de decaïment exponencial.

Excitació nuclear

Molts nuclis atòmics d'àtoms radioactius poden considerar-se com a estats excitats. Com a tals, són estats metaestables que poden persistir durant llargs períodes malgrat no ser estables. No obstant això, igual que succeeix amb l'excitació atòmica dels electrons, passat un temps, l'estat metaestable del nucli decau i emet algunes partícules alfa, beta o gamma.

Igual que en el cas de l'excitació atòmica la llei de decaïment dels materials radioactius resulta ser una llei exponencial:

${\displaystyle {\frac {{\text{d}}N(t)}{{\text{d}}t}}=-\gamma _{r}N(t)}$

La diferència principal amb els estats excitats electrònics, és que els estats excitats típics de molts nuclis atòmics tenen una vida mitjana de milers d'anys i fins i tot milions d'anys.

Excitació d'un gas pertorbat

Un conjunt de molècules que formen un gas es pot considerar en un estat excitat, si una o més molècules s'eleven a nivells d'energia cinètica tals que la distribució de velocitats resultant s'allunyi de l'equilibri de la distribució de Boltzmann. Aquest fenomen ha estat estudiat en el cas d'un gas bidimensional^{[nota 2]} amb cert detall, analitzant el temps necessari per relaxar-lo fins a l'equilibri.

Càlcul d'estats excitats

Els estats excitats sovint es calculen usant clúster acoblat,^{[nota 3]} la teoria de pertorbació de Møller-Plesset,^{[nota 4]} camp autoconsistente multiconfiguracional, interacció de configuració,^[15] i la teoria del funcional de la densitat dependent del temps.^{[16][17][18][19][20][21]}

Absorció d'estat excitat

L'excitació d'un sistema (un àtom o una molècula) d'un estat excitat a un estat excitat de major energia amb l'absorció d'un fotó es denomina “absorció en estat excitat” (ESA). L'absorció en estat excitat només és possible quan un electró ja ha estat excitat des de l'estat fonamental a un estat excitat més baix. L'absorció en estat excitat sol ser un efecte no desitjat, però pot ser útil en el bombament de conversió ascendent.^[22] Els mesuraments d'absorció en estat excitat es realitzen utilitzant tècniques de bomba-sonda com fotòlisis de centelleig. No obstant això, no és fàcil mesurar-los en comparació amb l'absorció en estat fonamental i, en alguns casos, es requereix un blanqueig complet de l'estat fonamental per a mesurar l'absorció en estat excitat.^[23]

Vegeu també

• Estat estacionari
• Complex de transferència de càrrega

Notes

1. La matèria de Rydberg és un estat de la matèria format per àtoms de Rydberg que es va predir, cap a 1980, per part de É. A. Manykin, M. I. Ozhovan i P. P. Poluéktov.^[3][4] Està formada de diversos elements com el cesi,^[5] potassi,^[6] hidrogen^[7][8] i nitrogen;^[9] s'han fet estudis de les possibilitats del sodi, beril·li, magnesi i calci.^[10]
2. Un gas bidimensional és un conjunt d'objectes amb restriccions per a moure's en un espai pla o un altre espai bidimensional en estat gasós. Aquests objectes poden ser: elements clàssics de gasos ideals, com a discos rígids que experimenten col·lisions elàstiques; partícules elementals; o qualsevol conjunt d'objectes individuals en física que obeeix les lleis del moviment sense interaccions d'enllaç
3. El clúster acoblat (CC) és una tècnica numèrica que s'utilitza per a descriure sistemes de molts cossos. El seu ús més comú és com un dels diversos mètodes de química quàntica ab initio posteriors a Hartree-Fock en el camp de la química computacional, encara que també s'utilitza en física nuclear. El clúster acoblat pres essencialment el mètode bàsic d'orbitals moleculars de Hartree-Fock i construeix funcions d'ona multielectròniques utilitzant l'operador de cúmul exponencial per a considerar la correlació electrònica. Alguns dels càlculs més precisos per a molècules petites i mitjanes utilitzen aquest mètode.^[11][12][13]
4. La teoria de pertorbació de Møller-Plesset (MP) és un de diversos mètodes ab initio posteriors a Hartree-Fock en la química quàntica en el camp de la química computacional. Millora el mètode Hartree-Fock afegint efectes de correlació electrònica mitjançant la teoria de pertorbació de Rayleigh-Schrödinger (RS-PT), normalment de segon (MP2), tercer (MP3) o quart (MP4) ordre. La seva idea principal va ser publicada en 1934 per Christian Møller i Milton S. Plesset.^[14]