Estado excitado

En mecánica cuántica , un estado excitado de un sistema (como un átomo , una molécula o un núcleo ) es cualquier estado cuántico del sistema que posee una energía superior al estado fundamental (es decir, mayor que el mínimo absoluto). La excitación se refiere a un aumento en el nivel de energía por encima de un punto de partida determinado, generalmente el estado fundamental, aunque a veces se trata de un estado ya excitado. La temperatura de un grupo de partículas es indicativa del nivel de excitación (con la notable excepción de los sistemas que presentan temperatura negativa ).

La vida útil de un sistema en un estado excitado suele ser corta: la emisión espontánea o inducida de un cuanto de energía (como un fotón o un fonón ) generalmente ocurre poco después de que el sistema pasa al estado excitado, devolviéndolo a un estado de menor energía (un estado menos excitado o el estado fundamental). Este retorno a un nivel de energía inferior se conoce como desexcitación ^{[ 1 ]} y es el proceso inverso a la excitación.

Los estados excitados de larga duración suelen denominarse metaestables . Los isómeros nucleares de larga duración y el oxígeno singlete son dos ejemplos de ello.

Los átomos pueden ser excitados por calor, electricidad o luz. El átomo de hidrógeno proporciona un ejemplo sencillo de este concepto.

El estado fundamental del átomo de hidrógeno tiene el único electrón del átomo en el orbital más bajo posible (es decir, la función de onda " 1s " esféricamente simétrica , que, hasta ahora, se ha demostrado que tiene los números cuánticos más bajos posibles ). Al darle al átomo energía adicional (por ejemplo, por absorción de un fotón de una energía apropiada), el electrón pasa a un estado excitado (uno con uno o más números cuánticos mayores que el mínimo posible). Cuando el electrón se encuentra entre dos estados —un cambio que ocurre muy rápido— está en una superposición de ambos estados. ^{[ 2 ]} Si el fotón tiene demasiada energía, el electrón dejará de estar ligado al átomo y el átomo se ionizará .

Tras la excitación, el átomo puede regresar al estado fundamental o a un estado excitado inferior, emitiendo un fotón con una energía característica. La emisión de fotones por parte de átomos en diversos estados excitados da lugar a un espectro electromagnético que muestra una serie de líneas de emisión características (incluidas, en el caso del átomo de hidrógeno, las series de Lyman, Balmer, Paschen y Brackett ).

Un átomo en un estado altamente excitado se denomina átomo de Rydberg . Un sistema de átomos altamente excitados puede formar un estado excitado condensado de larga duración, la materia de Rydberg .

Un conjunto de moléculas que forman un gas puede considerarse en estado excitado si una o más moléculas alcanzan niveles de energía cinética tales que la distribución de velocidad resultante se desvía de la distribución de Boltzmann de equilibrio . Este fenómeno se ha estudiado con cierto detalle en el caso de un gas bidimensional , analizando el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio.

Los estados excitados se calculan a menudo utilizando el método de cúmulos acoplados , la teoría de perturbación de Møller-Plesset , el campo autoconsistente multiconfiguracional , la interacción de configuraciones , ^{[ 3 ]} y la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Cuando se utilizan métodos de Monte Carlo variacional , que generalmente se aplican solo al estado fundamental, los estados excitados se pueden calcular mediante métodos de penalización, ^{[ 10 ]} o el método de estados excitados naturales, ^{[ 11 ]} también conocido como Grassmann VMC. ^{[ 12 ]}

La excitación de un sistema (un átomo o molécula) de un estado excitado a un estado excitado de mayor energía mediante la absorción de un fotón se denomina absorción de estado excitado (ESA). La absorción de estado excitado solo es posible cuando un electrón ya ha sido excitado desde el estado fundamental a un estado excitado inferior. La absorción de estado excitado suele ser un efecto no deseado, pero puede ser útil en el bombeo por conversión ascendente. ^{[ 13 ]} Las mediciones de absorción de estado excitado se realizan utilizando técnicas de bombeo-sonda, como la fotólisis instantánea . Sin embargo, no es fácil medirlas en comparación con la absorción de estado fundamental, y en algunos casos se requiere el blanqueamiento completo del estado fundamental para medir la absorción de estado excitado. ^{[ 14 ]}

Otra consecuencia de la formación de estados excitados puede ser la reacción del átomo o molécula en su estado excitado, como en la fotoquímica .

• Fórmula de Rydberg
• Estado estacionario
• Estado repulsivo

• Información general de la NASA sobre estados terrestres y excitados.