Estado de excitación
Estados cuánticos con más energía que la cantidad más baja posible

Después de absorber energía, un electrón puede saltar del estado fundamental a un estado excitado de mayor energía.
Excitaciones de los orbitales 3d del cobre en el plano CuO2 de un superconductor de alta temperatura de fusión . El estado fundamental (azul) corresponde a los orbitales x2 – y2 ; los orbitales excitados están en verde; las flechas ilustran la espectroscopia inelástica de rayos X.

En mecánica cuántica , un estado excitado de un sistema (como un átomo , una molécula o un núcleo ) es cualquier estado cuántico del sistema que tiene una energía más alta que el estado fundamental (es decir, más energía que el mínimo absoluto). La excitación se refiere a un aumento en el nivel de energía por encima de un punto de partida elegido, generalmente el estado fundamental, pero a veces un estado ya excitado. La temperatura de un grupo de partículas es indicativa del nivel de excitación (con la notable excepción de los sistemas que presentan temperatura negativa ).

La vida útil de un sistema en estado excitado suele ser corta: la emisión espontánea o inducida de un cuanto de energía (como un fotón o un fonón ) suele ocurrir poco después de que el sistema pase al estado excitado, lo que hace que vuelva a un estado con menor energía (un estado menos excitado o el estado fundamental). Este retorno a un nivel de energía más bajo suele describirse vagamente como decaimiento y es lo inverso de la excitación.

Los estados excitados de larga duración suelen denominarse metaestables . Los isómeros nucleares de larga duración y el oxígeno singlete son dos ejemplos de ello.

Excitación atómica

Los átomos pueden ser excitados por el calor, la electricidad o la luz. El átomo de hidrógeno es un ejemplo sencillo de este concepto.

El estado fundamental del átomo de hidrógeno tiene al único electrón del átomo en el orbital más bajo posible (es decir, la función de onda " 1s " esféricamente simétrica , que, hasta ahora, se ha demostrado que tiene los números cuánticos más bajos posibles ). Al darle al átomo energía adicional (por ejemplo, mediante la absorción de un fotón de una energía apropiada), el electrón pasa a un estado excitado (uno con uno o más números cuánticos mayores que el mínimo posible). Cuando el electrón se encuentra entre dos estados, un cambio que ocurre muy rápido, está en una superposición de ambos estados. [1] Si el fotón tiene demasiada energía, el electrón dejará de estar ligado al átomo y el átomo se ionizará .

Después de la excitación, el átomo puede volver al estado fundamental o a un estado excitado inferior, emitiendo un fotón con una energía característica. La emisión de fotones desde átomos en varios estados excitados conduce a un espectro electromagnético que muestra una serie de líneas de emisión características (incluidas, en el caso del átomo de hidrógeno, las series de Lyman, Balmer, Paschen y Brackett ).

Un átomo en un estado de excitación elevado se denomina átomo de Rydberg . Un sistema de átomos muy excitados puede formar un estado excitado condensado de larga duración, la materia de Rydberg .

Excitación de gas perturbado

Un conjunto de moléculas que forman un gas puede considerarse en estado excitado si una o más moléculas se elevan a niveles de energía cinética tales que la distribución de velocidad resultante se aleja de la distribución de Boltzmann de equilibrio . Este fenómeno se ha estudiado en el caso de un gas bidimensional con cierto detalle, analizando el tiempo que tarda en relajarse hasta alcanzar el equilibrio.

Cálculo de estados excitados

Los estados excitados a menudo se calculan utilizando grupos acoplados , teoría de perturbación de Møller-Plesset , campo autoconsistente multiconfiguracional , interacción de configuración [2] y teoría funcional de densidad dependiente del tiempo . [3] [ 4 ] [5] [6] [7] [8]

Absorción en estado excitado

La excitación de un sistema (un átomo o molécula) desde un estado excitado a un estado excitado de mayor energía con la absorción de un fotón se denomina absorción del estado excitado (ESA). La absorción del estado excitado solo es posible cuando un electrón ya ha sido excitado desde el estado fundamental a un estado excitado inferior. La absorción del estado excitado suele ser un efecto no deseado, pero puede ser útil en el bombeo de conversión ascendente. [9] Las mediciones de absorción del estado excitado se realizan utilizando técnicas de bombeo-sonda como la fotólisis flash . Sin embargo, no es fácil medirlas en comparación con la absorción del estado fundamental, y en algunos casos se requiere el blanqueo completo del estado fundamental para medir la absorción del estado excitado. [10]

Reacción

Una consecuencia adicional de la formación del estado excitado puede ser la reacción del átomo o molécula en su estado excitado, como en la fotoquímica .

Véase también

Referencias

  1. ^ Los saltos cuánticos, que durante mucho tiempo se creyeron instantáneos, toman tiempo
  2. ^ Hehre, Warren J. (2003). Una guía para la mecánica molecular y los cálculos químicos cuánticos (PDF) . Irvine, California: Wavefunction, Inc. ISBN 1-890661-06-6.
  3. ^ Glaesemann, Kurt R.; Govind, Niranjan; Krishnamoorthy, Sriram; Kowalski, Karol (2010). "Estudios EOMCC, MRPT y TDDFT de procesos de transferencia de carga en compuestos de valencia mixta: aplicación a la molécula espiro". The Journal of Physical Chemistry A . 114 (33): 8764–8771. Bibcode :2010JPCA..114.8764G. doi :10.1021/jp101761d. PMID  20540550.
  4. ^ Dreuw, Andreas; Head-Gordon, Martin (2005). "Métodos ab initio de referencia única para el cálculo de estados excitados de moléculas grandes". Chemical Reviews . 105 (11): 4009–37. doi :10.1021/cr0505627. PMID  16277369.
  5. ^ Knowles, Peter J.; Werner, Hans-Joachim (1992). "Cálculos de interacción de configuración de referencia-multiconfiguración contraída internamente para estados excitados". Theoretica Chimica Acta . 84 (1–2): 95–103. doi :10.1007/BF01117405. S2CID  96830841.
  6. ^ Foresman, James B.; Head-Gordon, Martin; Pople, John A.; Frisch, Michael J. (1992). "Hacia una teoría sistemática de orbitales moleculares para estados excitados". The Journal of Physical Chemistry . 96 : 135–149. doi :10.1021/j100180a030.
  7. ^ Glaesemann, Kurt R.; Gordon, Mark S.; Nakano, Haruyuki (1999). "Un estudio de FeCO+ con funciones de onda correlacionadas". Química física Física química . 1 (6): 967–975. Bibcode :1999PCCP....1..967G. doi :10.1039/a808518h.
  8. ^ Ariyarathna, Isuru (1 de marzo de 2021). Estudios de primeros principios sobre estados electrónicos fundamentales y excitados: enlaces químicos en moléculas del grupo principal, sistemas moleculares con electrones difusos y activación del agua utilizando monóxidos de metales de transición (tesis). hdl : 10415/7601 .
  9. ^ Paschotta, Rüdiger. "Absorción en estado de excitación". www.rp-photonics.com .
  10. ^ Dolan, Giora; Goldschmidt, Chmouel R. (1976). "Un nuevo método para mediciones de la sección transversal de absorción absoluta: espectro de absorción singlete-singlete excitado por rodamina-6G". Chemical Physics Letters . 39 (2): 320–322. Bibcode :1976CPL....39..320D. doi :10.1016/0009-2614(76)80085-1.
  • Información de fondo de la NASA sobre estados excitados y terrestres
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