В квантовой механике возбужденное состояние системы (например, атома , молекулы или ядра ) — это любое квантовое состояние системы, которое имеет более высокую энергию , чем основное состояние (то есть больше энергии, чем абсолютный минимум). Возбуждение относится к увеличению уровня энергии выше выбранной начальной точки, обычно основного состояния, но иногда и уже возбужденного состояния. Температура группы частиц указывает на уровень возбуждения (за заметным исключением систем с отрицательной температурой ).
Время жизни системы в возбужденном состоянии обычно коротко: спонтанное или индуцированное излучение кванта энергии (например, фотона или фонона ) обычно происходит вскоре после того, как система переводится в возбужденное состояние, возвращая систему в состояние с более низкой энергией (менее возбужденное состояние или основное состояние). Этот возврат на более низкий энергетический уровень часто называют распадом и является обратным возбуждению.
Долгоживущие возбужденные состояния часто называют метастабильными . Двумя примерами этого являются долгоживущие ядерные изомеры и синглетный кислород .
Атомы могут возбуждаться под действием тепла, электричества или света. Атом водорода представляет собой простой пример этой концепции.
Основное состояние атома водорода имеет единственный электрон атома на самой низкой возможной орбитали (то есть сферически симметричная волновая функция « 1s » , которая, как до сих пор было продемонстрировано, имеет наименьшие возможные квантовые числа ). Придавая атому дополнительную энергию (например, путем поглощения фотона соответствующей энергии), электрон переходит в возбужденное состояние (в состояние с одним или несколькими квантовыми числами, превышающими минимально возможное). Если у фотона слишком много энергии, электрон перестанет быть связанным с атомом, и атом станет ионизированным .
После возбуждения атом может вернуться в основное состояние или в более низкое возбужденное состояние, испустив фотон с характеристической энергией. Испускание фотонов атомами в различных возбужденных состояниях приводит к появлению в электромагнитном спектре ряда характерных линий излучения (в том числе, в случае атома водорода, серий Лаймана, Бальмера, Пашена и Брэкетта ).
Атом, находящийся в высоковозбужденном состоянии, называется ридберговским атомом . Система высоковозбужденных атомов может образовывать долгоживущее конденсированное возбужденное состояние — ридберговскую материю .
Совокупность молекул, образующих газ, можно рассматривать в возбужденном состоянии, если одна или несколько молекул подняты до таких уровней кинетической энергии, что результирующее распределение скоростей отклоняется от равновесного распределения Больцмана . Это явление было достаточно подробно изучено на примере двумерного газа , анализируя время, необходимое для релаксации до равновесия.
Возбужденные состояния часто рассчитываются с использованием связанного кластера , теории возмущений Меллера-Плессе , многоконфигурационного самосогласованного поля , конфигурационного взаимодействия [ 1] и теории функционала плотности, зависящей от времени . [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Возбуждение системы (атома или молекулы) из одного возбужденного состояния в возбужденное состояние с более высокой энергией с поглощением фотона называется поглощением в возбужденном состоянии (ESA). Поглощение в возбужденном состоянии возможно только тогда, когда электрон уже возбужден из основного состояния в более низкое возбужденное состояние. Поглощение в возбужденном состоянии обычно является нежелательным эффектом, но оно может быть полезно при ап-конверсионной накачке. [8] Измерения поглощения в возбужденном состоянии проводятся с использованием методов накачки-зонда, таких как флэш-фотолиз . Однако их нелегко измерить по сравнению с поглощением в основном состоянии, и в некоторых случаях для измерения поглощения в возбужденном состоянии требуется полное просветление основного состояния. [9]
Дальнейшим следствием образования возбужденного состояния может быть реакция атома или молекулы в возбужденном состоянии, как в фотохимии .