Was ist ein aufgeregter Zustand?
In der Physik wird ein System als angeregt bezeichnet, wenn es sich auf einem höheren Energieniveau befindet als das Ausgangsenergieniveau oder der Grundzustand. Das "System" kann ein Atom, Molekül, Ion oder ein anderes Teilchen sein. Wenn das System Energie aufnimmt, geht es in einen angeregten Zustand über, und wenn es Energie abgibt, kehrt es in einen Grundzustand zurück. Beispielsweise existieren Elektronen in einem Atom in ihrem Grundzustand, bis sie Energie absorbieren, die sie veranlasst, zu einem Orbital höherer Energie zu springen. In diesem Fall würde das Elektron als angeregt bezeichnet.
Elektronen werden als negativ geladene Teilchen durch elektromagnetische Kraft an die positiv geladenen Protonen im Atomkern gebunden. Sie umgeben den Kern in einer Reihe von Atomorbitalen, von denen jedes einem diskreten Energieniveau entspricht. Jeder als Elektronenhülle konzipierte Orbit um den Atomkern kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Die niedrigsten Energieniveaus werden in der Regel zuerst gefüllt. Wenn eine bestimmte Hülle gefüllt ist, beginnt ein Zustand mit höherer Energie zu besiedeln.
Es ist möglich, dass ein Elektron auf ein höheres Energieniveau springt, bevor dieses besetzt ist, aber dies erfordert Energie von außerhalb des Systems. Diese Energie kann in Form eines Photons, der Grundeinheit von Licht und anderer elektromagnetischer Strahlung, vorliegen. Wenn ein Photon auf das Atom trifft, treibt die Energie das Elektron auf ein höheres Energieniveau.
Ein Elektron benötigt mehr Energie, um vom ersten zum zweiten Energieniveau zu springen als vom zweiten zum dritten. Dies liegt daran, dass die Anziehungskraft des elektrischen Feldes des Kerns in der Nähe des Kerns am stärksten ist und mit der Entfernung abnimmt. Elektronen am äußersten Rand des elektrischen Feldes, weit vom Kern entfernt, können so weit angeregt werden, dass sie sich vollständig vom Atom lösen. In diesem Fall verliert das Atom diese negative Ladungseinheit und wird ionisiert - mit anderen Worten, es ist nicht mehr neutral geladen, sondern wird zu einem positiv geladenen Ion.
Der angeregte Zustand ist oft kurz. Nachdem ein Elektron auf ein höheres Energieniveau gesprungen ist, emittiert es normalerweise ein Photon oder ein Phonon - eine Einheit aus Licht oder Wärme -, um in seinen Grundzustand zurückzukehren. Dies kann auf natürliche Weise durch spontane Emission oder künstlich durch stimulierte Emission geschehen. In seltenen Fällen bleibt der angeregte Zustand in einem Atom länger erhalten und ändert seine chemischen Eigenschaften.
Viele lichterzeugende Geräte regen Elektronen an, um durch spontane oder stimulierte Emission Photonen zu erzeugen. Beispielsweise funktionieren Laser durch die stimulierte Emission. Fluoreszenzröhren und Kathodenstrahlröhren erzeugen durch Spontanemission Licht.