En mecánica cuántica , un estado excitado de un sistema (como un átomo , molécula o núcleo ) es cualquier estado cuántico del sistema que tiene una energía más alta que el estado fundamental (es decir, más energía que el mínimo absoluto). La excitación es una elevación del nivel de energía por encima de un estado energético de referencia arbitrario. En física, existe una definición técnica específica para el nivel de energía que a menudo se asocia con un átomo que se eleva a un estado excitado. [ cita requerida ] [ definición necesaria ] La temperaturade un grupo de partículas es indicativo del nivel de excitación (con la notable excepción de los sistemas que exhiben temperatura negativa ).
La vida útil de un sistema en un estado excitado suele ser breve: la emisión espontánea o inducida de un cuanto de energía (como un fotón o un fonón ) suele producirse poco después de que el sistema asciende al estado excitado, devolviendo el sistema a un estado con menor energía (un estado menos excitado o el estado fundamental). Este retorno a un nivel de energía más bajo a menudo se describe vagamente como desintegración y es el inverso de la excitación.
Los estados de excitación de larga duración a menudo se denominan metaestables . Los isómeros nucleares de larga duración y el oxígeno singlete son dos ejemplos de esto.
Excitación atómica
Un ejemplo simple de este concepto viene al considerar el átomo de hidrógeno .
El estado fundamental del átomo de hidrógeno corresponde a tener el único electrón del átomo en el orbital más bajo posible (es decir, la función de onda esféricamente simétrica " 1s " , que, hasta ahora, ha demostrado tener los números cuánticos más bajos posibles ). Al dar energía adicional al átomo (por ejemplo, mediante la absorción de un fotón de una energía apropiada), el electrón puede pasar a un estado excitado (uno con uno o más números cuánticos mayores que el mínimo posible). Si el fotón tiene demasiada energía, el electrón dejará de estar unido al átomo y el átomo se ionizará .
Después de la excitación, el átomo puede volver al estado fundamental oa un estado excitado más bajo, emitiendo un fotón con una energía característica. La emisión de fotones de átomos en varios estados excitados conduce a un espectro electromagnético que muestra una serie de líneas de emisión características (incluyendo, en el caso del átomo de hidrógeno, las series Lyman, Balmer, Paschen y Brackett ).
Un átomo en un estado muy excitado se denomina átomo de Rydberg . Un sistema de átomos muy excitados puede formar un estado excitado condensado de larga duración, por ejemplo, una fase condensada hecha completamente de átomos excitados: materia de Rydberg . El hidrógeno también puede excitarse con calor o electricidad.
Excitación de gas perturbado
Una colección de moléculas que forman un gas se puede considerar en un estado excitado si una o más moléculas se elevan a niveles de energía cinética de manera que la distribución de velocidad resultante se aparte de la distribución de equilibrio de Boltzmann . Este fenómeno ha sido estudiado en el caso de un gas bidimensional con cierto detalle, analizando el tiempo necesario para relajarse hasta el equilibrio.
Cálculo de estados excitados
Los estados excitados a menudo se calcularon utilizando racimo acoplado , la teoría de perturbaciones Møller-Plesset , campo autoconsistente multi-configuracional , la interacción de configuración , [1] y la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo . [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Absorción de estado excitado
La excitación de un sistema (un átomo o molécula) de un estado excitado a un estado excitado de mayor energía con la absorción de un fotón se denomina absorción en estado excitado (ESA). La absorción del estado excitado es posible solo cuando un electrón ya ha sido excitado desde el estado fundamental a un estado excitado más bajo. La absorción en estado excitado suele ser un efecto no deseado, pero puede ser útil en el bombeo de conversión ascendente. [8] Las mediciones de absorción del estado excitado se realizan utilizando técnicas de bomba-sonda como la fotólisis instantánea . Sin embargo, no es fácil medirlos en comparación con la absorción del estado fundamental y, en algunos casos, se requiere un blanqueo completo del estado fundamental para medir la absorción del estado excitado. [9]
Reacción
Una consecuencia adicional de la formación del estado excitado puede ser la reacción del átomo o la molécula en su estado excitado, como en la fotoquímica .
Ver también
- Fórmula de Rydberg
- Estado estacionario
- Estado repulsivo
Referencias
- ^ Hehre, Warren J. (2003). Una guía de mecánica molecular y cálculos químicos cuánticos (PDF) . Irvine, California: Wavefunction, Inc. ISBN 1-890661-06-6.
- ^ Glaesemann, Kurt R .; Govind, Niranjan; Krishnamoorthy, Sriram; Kowalski, Karol (2010). "Estudios EOMCC, MRPT y TDDFT de procesos de transferencia de carga en compuestos de valencia mixta: aplicación a la molécula de espiro". El Journal of Physical Chemistry A . 114 (33): 8764–8771. Código Bibliográfico : 2010JPCA..114.8764G . doi : 10.1021 / jp101761d . PMID 20540550 .
- ^ Dreuw, Andreas; Head-Gordon, Martin (2005). "Métodos ab initio de referencia única para el cálculo de estados excitados de moléculas grandes". Revisiones químicas . 105 (11): 4009–37. doi : 10.1021 / cr0505627 . PMID 16277369 .
- ^ Knowles, Peter J .; Werner, Hans-Joachim (1992). "Cálculos de interacción de configuración multiconfiguración-referencia contratados internamente para estados excitados". Theoretica Chimica Acta . 84 (1–2): 95–103. doi : 10.1007 / BF01117405 . S2CID 96830841 .
- ^ Foresman, James B .; Head-Gordon, Martin; Gente, John A .; Frisch, Michael J. (1992). "Hacia una teoría orbital molecular sistemática para estados excitados". La Revista de Química Física . 96 : 135-149. doi : 10.1021 / j100180a030 .
- ^ Glaesemann, Kurt R .; Gordon, Mark S .; Nakano, Haruyuki (1999). "Un estudio de FeCO + con funciones de onda correlacionadas". Física Química Física Química . 1 (6): 967–975. Código Bibliográfico : 1999PCCP .... 1..967G . doi : 10.1039 / a808518h .
- ^ Ariyarathna, Isuru (1 de marzo de 2021). Primeros estudios de principios sobre el suelo y los estados electrónicos excitados: enlaces químicos en moléculas del grupo principal, sistemas moleculares con electrones difusos y activación de agua mediante monóxidos de metales de transición (tesis). hdl : 10415/7601 .
- ^ Paschotta, Dr. Rüdiger. "Absorción de estado excitado" . www.rp-photonics.com .
- ^ Dolan, Giora; Goldschmidt, Chmouel R (1976). "Un nuevo método para mediciones de sección transversal de absorción absoluta: espectro de absorción singlete-singlete excitado por rodamina-6G". Cartas de Física Química . 39 (2): 320–322. Código Bibliográfico : 1976CPL .... 39..320D . doi : 10.1016 / 0009-2614 (76) 80085-1 .
enlaces externos
- Información de antecedentes de la NASA sobre tierra y estados emocionados