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 superior a la del estado fundamental (es decir, más energía que el mínimo absoluto). La excitación se refiere a un aumento en el nivel de energía por encima de un punto de partida elegido, generalmente el estado fundamental, pero a veces 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 exhiben temperatura negativa ).
La vida útil de un sistema en estado excitado suele ser corta: la emisión espontánea o inducida de un cuanto de energía (como un fotón o un fonón ) suele producirse poco después de que el sistema pasa al estado excitado, devolviendo el sistema a un estado excitado. con menor energía (un estado menos excitado o el estado fundamental). Este retorno a un nivel de energía más bajo a menudo se describe en términos generales como decadencia y es lo inverso de 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 esto.
Los átomos pueden excitarse mediante 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, mediante la 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). 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 o a un estado excitado inferior, emitiendo un fotón con una energía característica. La emisión de fotones de átomos en diversos estados excitados conduce 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 muy excitado se denomina átomo de Rydberg . Un sistema de átomos muy excitados puede formar un estado excitado condensado de larga duración, la materia de Rydberg .
Un conjunto 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 tales que la distribución de velocidad resultante se aleja de la distribución de equilibrio de Boltzmann . Este fenómeno ha sido estudiado con cierto detalle en el caso de un gas bidimensional , analizando el tiempo que tarda en relajarse hasta alcanzar el equilibrio.
Los estados excitados a menudo se calculan utilizando clústeres acoplados , teoría de perturbaciones de Møller-Plesset , campo autoconsistente multiconfiguracional , interacción de configuración , [1] y teoría funcional de densidad dependiente del tiempo . [2] [3] [4] [5] [6] [7]
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 llama absorción en estado excitado (ESA). La absorción en estado excitado sólo es posible cuando un electrón ya ha sido excitado desde el estado fundamental a un estado excitado inferior. La absorción en estado excitado suele ser un efecto no deseado, pero puede resultar útil en el bombeo de conversión ascendente. [8] Las mediciones de absorción en estado excitado se realizan utilizando técnicas de bomba-sonda, como la fotólisis flash . Sin embargo, no es fácil medirlos en comparación con la absorción en el estado fundamental y, en algunos casos, se requiere un blanqueo completo del estado fundamental para medir la absorción en el estado excitado. [9]
Una consecuencia adicional de la formación del estado excitado puede ser la reacción del átomo o molécula en su estado excitado, como en la fotoquímica .