En mecánica cuántica , un estado excitado de un sistema (como un átomo , una molécula o un núcleo ) es cualquier estado cuántico del sistema que tiene una energía mayor que el 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 presentan 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 ocurrir poco después de que el sistema pase al estado excitado, lo que hace que vuelva a un estado con menor energía (un estado menos excitado o el estado fundamental). Este retorno a un nivel de energía más bajo suele describirse vagamente como decaimiento 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 ello.
Los átomos pueden ser excitados por el calor, la electricidad o la luz. El átomo de hidrógeno es un ejemplo sencillo de este concepto.
El estado fundamental del átomo de hidrógeno tiene al 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). Cuando el electrón se encuentra entre dos estados, un cambio que ocurre muy rápido, está en una superposición de ambos estados. [1] Si el fotón tiene demasiada energía, el electrón dejará de estar ligado 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 desde átomos en varios 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 de excitación elevado 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 puede considerarse en 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 Boltzmann de equilibrio . Este fenómeno se ha estudiado en el caso de un gas bidimensional con cierto detalle, analizando el tiempo que tarda en relajarse hasta alcanzar el equilibrio.
Los estados excitados a menudo se calculan utilizando grupos acoplados , teoría de perturbación de Møller-Plesset , campo autoconsistente multiconfiguracional , interacción de configuración [ 2] y teoría funcional de densidad dependiente del tiempo . [3] [4] [5] [6] [7] [8]
La excitación de un sistema (un átomo o molécula) desde un estado excitado a un estado excitado de mayor energía con la absorción de un fotón se denomina absorción del estado excitado (ESA). La absorción del estado excitado solo es posible cuando un electrón ya ha sido excitado desde el estado fundamental a un estado excitado inferior. La absorción del estado excitado suele ser un efecto no deseado, pero puede ser útil en el bombeo de conversión ascendente. [9] Las mediciones de absorción del estado excitado se realizan utilizando técnicas de bombeo-sonda como la fotólisis flash . Sin embargo, no es fácil medirlas en comparación con la absorción del estado fundamental, y en algunos casos se requiere el blanqueo completo del estado fundamental para medir la absorción del estado excitado. [10]
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 .