stringtranslate.com

Возбужденное состояние

После поглощения энергии электрон может перейти из основного состояния в возбужденное состояние с более высокой энергией.
Возбуждения 3d-орбиталей меди на плоскости CuO 2 сверхпроводника с высокой температурой C. Основное состояние (синий) — x 2 – y 2 орбитали; возбужденные орбитали показаны зеленым; стрелки иллюстрируют неупругую рентгеновскую спектроскопию.

В квантовой механике возбужденное состояние системы (такой как атом , молекула или ядро ) — 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 уже возбужденного состояния. Температура группы частиц указывает на уровень возбуждения (за заметным исключением систем, которые демонстрируют отрицательную температуру ).

Продолжительность жизни системы в возбужденном состоянии обычно невелика: спонтанное или индуцированное испускание кванта энергии (например, фотона или фонона ) обычно происходит вскоре после того, как система переходит 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 вольно описывается как распад и является обратным возбуждению процессом.

Долгоживущие возбужденные состояния часто называют метастабильными . Долгоживущие ядерные изомеры и синглетный кислород — два примера этого.

Атомное возбуждение

Атомы могут возбуждаться теплом, электричеством или светом. Атом водорода представляет собой простой пример этой концепции.

Основное состояние атома водорода имеет единственный электрон атома на самой низкой возможной орбитали (то есть сферически симметричной волновой функции " 1s " , которая, как было доказано, имеет самые низкие возможные квантовые числа ). Придавая атому дополнительную энергию (например, поглощая фотон с соответствующей энергией), электрон переходит в возбужденное состояние (состояние с одним или несколькими квантовыми числами, превышающими минимально возможное). Когда электрон оказывается между двумя состояниями, сдвиг, который происходит очень быстро, он находится в суперпозиции обоих состояний. [1] 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, испуская фотон с характерной энергией. Испускание фотонов атомами в различных возбужденных состояниях приводит к электромагнитному спектру , демонстрирующему ряд характерных линий испускания (включая, в случае атома водорода, серии Лаймана, Бальмера, Пашена и Брэкетта ).

Атом в высоковозбужденном состоянии называется ридберговским атомом . Система высоковозбужденных атомов может образовывать долгоживущее конденсированное возбужденное состояние, ридберговскую материю .

Возбуждение возмущенного газа

Совокупность молекул, образующих газ, можно считать находящейся в возбужденном состоянии, если одна или несколько молекул достигают кинетических уровней энергии, так что результирующее распределение скоростей отклоняется от равновесного распределения Больцмана . Это явление было изучено в случае двумерного газа довольно подробно, с анализом времени, необходимого для релаксации к равновесию.

Расчет возбужденных состояний

Возбужденные состояния часто рассчитываются с использованием связанных кластеров , теории возмущений Меллера–Плессета , многоконфигурационного самосогласованного поля , взаимодействия конфигураций [2] и теории функционала плотности, зависящей от времени . [3] [ 4] [5] [6] [7] [8]

Поглощение в возбужденном состоянии

Возбуждение системы (атома или молекулы) из одного возбужденного состояния в возбужденное состояние с более высокой энергией при поглощении фотона называется поглощением возбужденного состояния (ESA). Поглощение возбужденного состояния возможно только тогда, когда электрон уже возбужден из основного состояния в более низкое возбужденное состояние. Поглощение возбужденного состояния обычно является нежелательным эффектом, но оно может быть полезным при накачке с повышением частоты. [9] Измерения поглощения возбужденного состояния проводятся с использованием методов накачки-зонда, таких как импульсный фотолиз . Однако их нелегко измерить по сравнению с поглощением основного состояния, и в некоторых случаях для измерения поглощения возбужденного состояния требуется полное обесцвечивание основного состояния. [10]

Реакция

Дальнейшим следствием образования возбужденного состояния может быть реакция атома или молекулы в возбужденном состоянии, как в фотохимии .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Квантовые скачки, долгое время считавшиеся мгновенными, требуют времени
  2. ^ Hehre, Warren J. (2003). Руководство по молекулярной механике и квантово-химическим расчетам (PDF) . Ирвайн, Калифорния: Wavefunction, Inc. ISBN 1-890661-06-6.
  3. ^ Glaesemann, Kurt R.; Govind, Niranjan; Krishnamoorthy, Sriram; Kowalski, Karol (2010). «Исследования процессов переноса заряда в соединениях со смешанной валентностью методами EOMCC, MRPT и TDDFT: применение к спиромолекуле». The Journal of Physical Chemistry A. 114 ( 33): 8764–8771. Bibcode : 2010JPCA..114.8764G. doi : 10.1021/jp101761d. PMID  20540550.
  4. ^ Дрю, Андреас; Хэд-Гордон, Мартин (2005). «Методы ab initio с одной ссылкой для расчета возбужденных состояний больших молекул». Chemical Reviews . 105 (11): 4009–37. doi :10.1021/cr0505627. PMID  16277369.
  5. ^ Ноулз, Питер Дж.; Вернер, Ханс-Йоахим (1992). «Расчеты взаимодействия внутренней контрактированной многоконфигурационной конфигурации с опорной конфигурацией для возбужденных состояний». Theoretica Chimica Acta . 84 (1–2): 95–103. doi :10.1007/BF01117405. S2CID  96830841.
  6. ^ Форесман, Джеймс Б.; Хэд-Гордон, Мартин; Попл, Джон А.; Фриш, Майкл Дж. (1992). «К систематической теории молекулярных орбиталей для возбужденных состояний». Журнал физической химии . 96 : 135–149. doi :10.1021/j100180a030.
  7. ^ Glaesemann, Kurt R.; Gordon, Mark S.; Nakano, Haruyuki (1999). «Исследование FeCO+ с коррелированными волновыми функциями». Physical Chemistry Chemical Physics . 1 (6): 967–975. Bibcode : 1999PCCP....1..967G. doi : 10.1039/a808518h.
  8. ^ Арияратна, Исуру (2021-03-01). Исследования из первых принципов основных и возбужденных электронных состояний: химическая связь в молекулах основных групп, молекулярные системы с диффузными электронами и активация воды с использованием монооксидов переходных металлов (диссертация). hdl : 10415/7601 .
  9. ^ Пашотта, Рюдигер. «Поглощение в возбужденном состоянии». www.rp-photonics.com .
  10. ^ Долан, Гиора; Гольдшмидт, Чмоуэль Р. (1976). «Новый метод для измерения абсолютного сечения поглощения: спектр поглощения синглет-синглет возбужденного родамина-6G». Chemical Physics Letters . 39 (2): 320–322. Bibcode : 1976CPL....39..320D. doi : 10.1016/0009-2614(76)80085-1.

Внешние ссылки