Co to jest stan podekscytowany?

W fizyce mówi się, że układ jest w stanie wzbudzonym, jeśli znajduje się na wyższym poziomie energii niż poziom energii wyjściowej lub stan podstawowy. „Układ” może być atomem, cząsteczką, jonem lub inną cząsteczką. Kiedy system absorbuje energię, przechodzi w stan wzbudzony, a kiedy emituje energię, powraca do stanu podstawowego. Na przykład elektrony w atomie istnieją w stanie podstawowym, dopóki nie pochłoną energii, która powoduje, że skaczą na orbitę o wyższej energii. Gdy tak się dzieje, mówi się, że elektron jest w stanie wzbudzonym.

Elektrony, jako ujemnie naładowane cząstki, są utrzymywane przez dodatnio naładowane protony w jądrze atomu za pomocą siły elektromagnetycznej. Otaczają jądro na szeregu orbitali atomowych, z których każdy odpowiada poziomowi dyskretnej energii. Każda orbita wokół jądra atomowego, wyobrażona jako powłoka elektronowa, może pomieścić tylko określoną liczbę elektronów. Najniższe poziomy energii zwykle są napełniane jako pierwsze. Kiedy dana skorupa zostanie napełniona, stan wyższej energii zacznie się zapełniać.

Możliwe jest, że elektron przeskoczy na wyższy poziom energii, zanim ten poziom zostanie zaludniony, ale wymaga to energii spoza układu. Energia ta może przyjść w postaci fotonu, podstawowej jednostki światła i innego promieniowania elektromagnetycznego. Kiedy foton uderza w atom, energia napędza elektron na wyższy poziom energii.

Elektron potrzebuje więcej energii, aby przejść z pierwszego poziomu energii na drugi niż z drugiego na trzeci. Jest tak, ponieważ siła przyciągania pola elektrycznego jądra jest najsilniejsza w pobliżu jądra i maleje wraz z odległością. Elektrony na samym skraju pola elektrycznego, z dala od jądra, mogą być wzbudzane do momentu całkowitego uwolnienia się od atomu. Kiedy tak się dzieje, atom traci tę jednostkę ładunku ujemnego i ulega jonizacji - innymi słowy, nie jest już naładowany neutralnie, lecz staje się jonem dodatnio naładowanym.

Podekscytowany stan jest często krótki. Po przejściu na wyższy poziom energii elektron zwykle emituje foton lub fonon - jednostkę światła lub ciepła - w celu powrotu do stanu podstawowego. Może się to zdarzyć naturalnie, poprzez spontaniczną emisję lub sztucznie, poprzez stymulowaną emisję. W rzadkich przypadkach stan wzbudzony zachowuje się na dłużej w atomie, zmieniając jego właściwości chemiczne.

Wiele urządzeń wytwarzających światło zaprojektowano do wzbudzania elektronów w celu generowania fotonów w wyniku emisji spontanicznej lub stymulowanej. Na przykład lasery działają poprzez stymulowaną emisję. Świetlówki i lampy katodowe wykorzystują spontaniczną emisję do wytworzenia światła.