Estado de excitação - Excited state
Na mecânica quântica , um estado excitado de um sistema (como um átomo , molécula ou núcleo ) é qualquer estado quântico do sistema que possui uma energia mais alta do que o estado fundamental (ou seja, mais energia do que o mínimo absoluto). Excitação é uma elevação no nível de energia acima de um estado de energia de linha de base arbitrário. Na física, existe uma definição técnica específica para o nível de energia que geralmente está associada a um átomo sendo elevado a um estado excitado. A temperatura de um grupo de partículas é indicativa do nível de excitação (com a notável exceção de sistemas que exibem temperatura negativa ).
O tempo de vida de um sistema em um estado excitado é geralmente curto: a emissão espontânea ou induzida de um quantum de energia (como um fóton ou um fônon ) geralmente ocorre logo após o sistema ser promovido ao estado excitado, retornando o sistema a um estado com energia mais baixa (um estado menos excitado ou o estado fundamental). Esse retorno a um nível de energia inferior é frequentemente descrito vagamente como decadência e é o inverso da excitação.
Os estados de excitação de longa duração são freqüentemente chamados de metaestáveis . Isômeros nucleares de vida longa e oxigênio singlete são dois exemplos disso.
Excitação atômica
Um exemplo simples desse conceito vem considerando o átomo de hidrogênio .
O estado fundamental do átomo de hidrogênio corresponde a ter o único elétron do átomo no orbital mais baixo possível (isto é, a função de onda esfericamente simétrica " 1s " , que, até agora, demonstrou ter os menores números quânticos possíveis ). Ao dar ao átomo energia adicional (por exemplo, pela absorção de um fóton de uma energia apropriada), o elétron é capaz de se mover para um estado excitado (um com um ou mais números quânticos maiores que o mínimo possível). Se o fóton tiver energia demais, o elétron deixará de estar vinculado ao átomo e o átomo ficará ionizado .
Após a excitação, o átomo pode retornar ao estado fundamental ou a um estado excitado inferior, emitindo um fóton com uma energia característica. A emissão de fótons de átomos em vários estados excitados leva a um espectro eletromagnético mostrando uma série de linhas de emissão características (incluindo, no caso do átomo de hidrogênio, as séries de Lyman, Balmer, Paschen e Brackett .)
Um átomo em um estado altamente excitado é denominado átomo de Rydberg . Um sistema de átomos altamente excitados pode formar um estado excitado condensado de vida longa, por exemplo, uma fase condensada feita completamente de átomos excitados: matéria de Rydberg . O hidrogênio também pode ser excitado por calor ou eletricidade.
Excitação de gás perturbada
Uma coleção de moléculas formando um gás pode ser considerada em um estado excitado se uma ou mais moléculas forem elevadas a níveis de energia cinética de modo que a distribuição de velocidade resultante se afaste da distribuição de Boltzmann de equilíbrio . Este fenômeno foi estudado no caso de um gás bidimensional com algum detalhe, analisando o tempo que leva para relaxar até o equilíbrio.
Cálculo de estados excitados
Estados excitados são frequentemente calculados usando cluster acoplado , teoria de perturbação de Møller-Plesset , campo multi-configuracional autoconsistente , interação de configuração e teoria funcional de densidade dependente do tempo .
Absorção de estado de excitação
A excitação de um sistema (um átomo ou molécula) de um estado excitado para um estado excitado de energia mais alta com a absorção de um fóton é chamada de absorção de estado excitado (ESA). A absorção do estado excitado só é possível quando um elétron já foi excitado do estado fundamental para um estado excitado inferior. A absorção do estado de excitação geralmente é um efeito indesejado, mas pode ser útil no bombeamento de conversão ascendente. As medições de absorção de estado excitado são feitas usando técnicas de bomba-sonda, como fotólise instantânea . No entanto, não é fácil medi-los em comparação com a absorção do estado fundamental e, em alguns casos, o branqueamento completo do estado fundamental é necessário para medir a absorção do estado excitado.
Reação
Uma outra consequência da formação do estado excitado pode ser a reação do átomo ou molécula em seu estado excitado, como na fotoquímica .