Che cos'è uno stato eccitato?

In fisica, si dice che un sistema si trova in uno stato eccitato se si trova a un livello di energia più elevato rispetto al livello di energia di base o allo stato fondamentale. Il "sistema" può essere un atomo, una molecola, uno ione o un'altra particella. Quando il sistema assorbe energia, passa a uno stato eccitato e quando emette energia, ritorna a uno stato fondamentale. Gli elettroni in un atomo, per esempio, esistono al loro stato fondamentale fino a quando non assorbono energia che li fa saltare a un orbitale di energia superiore. In questo caso, si direbbe che l'elettrone si trova in uno stato eccitato.

Gli elettroni, come particelle caricate negativamente, vengono trattenuti dai protoni caricati positivamente nel nucleo di un atomo attraverso la forza elettromagnetica. Circondano il nucleo in un numero di orbitali atomici, ognuno dei quali corrisponde a un livello di energia discreto. Ogni orbita attorno al nucleo atomico, concettualizzata come un guscio di elettroni, può contenere solo un certo numero di elettroni. I livelli di energia più bassi tendono ad essere riempiti per primi. Quando un dato guscio viene riempito, inizierà a popolarsi uno stato di energia superiore.

È possibile che un elettrone passi a un livello di energia più alto prima che quel livello sia popolato, ma ciò richiede energia dall'esterno del sistema. Questa energia può presentarsi sotto forma di un fotone, l'unità base della luce e altre radiazioni elettromagnetiche. Quando un fotone colpisce l'atomo, l'energia spinge l'elettrone a un livello di energia più elevato.

Un elettrone richiede più energia per saltare dal primo livello di energia al secondo che dal secondo al terzo. Questo perché la forza attrattiva del campo elettrico del nucleo è più forte vicino al nucleo e diminuisce con la distanza. Gli elettroni ai margini del campo elettrico, lontani dal nucleo, possono essere eccitati fino al punto di liberarsi completamente dell'atomo. Quando ciò accade, l'atomo perde quell'unità di carica negativa e si ionizza - in altre parole, non viene più caricato neutralmente, ma diventa invece uno ione caricato positivamente.

Lo stato eccitato è spesso breve. Dopo aver saltato a un livello di energia più elevato, un elettrone di solito emette un fotone o fonone - un'unità di luce o calore - per tornare al suo stato fondamentale. Ciò può avvenire in modo naturale, attraverso l'emissione spontanea o artificialmente, attraverso l'emissione stimolata. In rari casi, lo stato eccitato viene conservato più a lungo in un atomo, modificando le sue proprietà chimiche.

Molti dispositivi che producono luce sono progettati per eccitare gli elettroni per generare fotoni attraverso emissioni spontanee o stimolate. I laser, ad esempio, funzionano attraverso l'emissione stimolata. I tubi fluorescenti e i tubi a raggi catodici usano l'emissione spontanea per produrre luce.