Что такое возбужденное состояние?

В физике говорят, что система находится в возбужденном состоянии, если она находится на более высоком энергетическом уровне, чем ее базовый уровень энергии, или основное состояние. «Система» может быть атомом, молекулой, ионом или другой частицей. Когда система поглощает энергию, она переходит в возбужденное состояние, а когда она излучает энергию, она возвращается в основное состояние. Например, электроны в атоме существуют в своем основном состоянии до тех пор, пока они не поглощают энергию, которая заставляет их прыгать на более высокую энергию. Когда это происходит, тогда говорят, что электрон находится в возбужденном состоянии.

Электроны, как отрицательно заряженные частицы, удерживаются на положительно заряженных протонах в ядре атома посредством электромагнитной силы. Они окружают ядро ​​рядом атомных орбиталей, каждая из которых соответствует дискретному энергетическому уровню. Каждая орбита вокруг атомного ядра, представленная в виде электронной оболочки, может содержать только определенное количество электронов. Самые низкие уровни энергии имеют тенденцию заполняться первыми. Когда данная оболочка заполнена, начнется заселение более высокого энергетического состояния.

Возможно, что электрон перепрыгнет на более высокий энергетический уровень до того, как этот уровень заполнится, но это требует энергии извне системы. Эта энергия может прийти в виде фотона, основной единицы света и другого электромагнитного излучения. Когда фотон поражает атом, энергия продвигает электрон на более высокий энергетический уровень.

Для перехода с первого энергетического уровня на второй электрону требуется больше энергии, чем со второго на третий. Это связано с тем, что сила притяжения электрического поля ядра является самой сильной вблизи ядра и уменьшается с расстоянием. Электроны на самой границе электрического поля, вдали от ядра, могут быть возбуждены до точки полного освобождения атома. Когда это происходит, атом теряет эту единицу отрицательного заряда и становится ионизированным - другими словами, он больше не заряжается нейтрально, а вместо этого становится положительно заряженным ионом.

Возбужденное состояние часто короткое. После перехода на более высокий энергетический уровень электрон обычно излучает фотон или фонон - единицу света или тепла - чтобы вернуться в свое основное состояние. Это может происходить естественным путем, через спонтанное излучение или искусственно, через стимулированное излучение. В редких случаях возбужденное состояние дольше сохраняется в атоме, изменяя его химические свойства.

Многие светопроизводящие устройства предназначены для возбуждения электронов для генерации фотонов посредством спонтанного или стимулированного излучения. Например, лазеры функционируют за счет вынужденного излучения. Флуоресцентные трубки и электронно-лучевые трубки используют спонтанное излучение для получения света.