Wat is een opgewonden staat?

In de fysica wordt van een systeem gezegd dat het in een opgewonden toestand is als het zich op een hoger energieniveau bevindt dan zijn basisniveau of grondtoestand. Het "systeem" kan een atoom, molecuul, ion of ander deeltje zijn. Wanneer het systeem energie absorbeert, gaat het over in een opgewonden toestand en wanneer het energie uitzendt, keert het terug naar een grondtoestand. Elektronen in een atoom bestaan ​​bijvoorbeeld in hun grondtoestand totdat ze energie absorberen waardoor ze naar een hogere energiebaan springen. Wanneer dit gebeurt, zou het elektron dan in een geëxciteerde toestand zijn.

Elektronen, als negatief geladen deeltjes, worden door elektromagnetische kracht aan de positief geladen protonen in de kern van een atoom vastgehouden. Ze omringen de kern in een aantal atomaire orbitalen, die elk overeenkomen met een discreet energieniveau. Elke baan rond de atoomkern, geconceptualiseerd als een elektronenschil, kan slechts een bepaald aantal elektronen bevatten. De laagste energieniveaus worden meestal eerst gevuld. Wanneer een gegeven shell wordt gevuld, begint een hogere energietoestand te worden bevolkt.

Het is mogelijk dat een elektron naar een hoger energieniveau springt voordat dat niveau wordt gevuld, maar dit vereist energie van buiten het systeem. Deze energie kan de vorm hebben van een foton, de basiseenheid van licht en andere elektromagnetische straling. Wanneer een foton het atoom raakt, stuwt de energie het elektron naar een hoger energieniveau.

Een elektron heeft meer energie nodig om van het eerste energieniveau naar het tweede te springen dan van het tweede naar het derde. Dit komt omdat de aantrekkingskracht van het elektrische veld van de kern het sterkst is in de buurt van de kern en afneemt met de afstand. Elektronen aan de uiterste rand van het elektrische veld, ver van de kern, kunnen worden opgewonden tot het punt dat ze volledig van het atoom loskomen. Wanneer dit gebeurt, verliest het atoom die eenheid van negatieve lading en wordt geïoniseerd - met andere woorden, het is niet langer neutraal geladen, maar wordt in plaats daarvan een positief geladen ion.

De opgewonden toestand is vaak kort. Nadat hij naar een hoger energieniveau is gesprongen, zal een elektron meestal een foton of fonon - een eenheid van licht of warmte - uitzenden om terug te keren naar zijn grondtoestand. Dit kan natuurlijk gebeuren, door spontane emissie, of kunstmatig, door gestimuleerde emissie. In zeldzame gevallen wordt de geëxciteerde toestand langer in een atoom bewaard, waardoor de chemische eigenschappen worden gewijzigd.

Veel lichtproducerende apparaten zijn ontworpen om elektronen te stimuleren om fotonen te genereren door spontane of gestimuleerde emissie. Lasers werken bijvoorbeeld door de gestimuleerde emissie. Fluorescerende buizen en kathodestraalbuizen gebruiken spontane emissie om licht te produceren.