حالت برانگیخته

در این ابررسانا، حالت‌های برانگیخته سطح برخورد با رنگ سبز نشان داده شده‌اند.

به طور کلی برانگیختگی یعنی زیاد شدن انرژی یک سامانه نسبت به حالتی که کمترین انرژی ممکن را داراست. این مفهوم به طور خاص در مکانیک کوانتومی که در آن اتمها دارای حالت‌های کوانتومی و سطوح انرژی هستند کاربرد دارد.

در مکانیک کوانتومی حالت برانگیخته سیستم (اتم٫ مولکول یا هسته) یعنی هر حالت کوانتومی که انرژی آن بیشتر از انرژی حالت پایه باشد.

طول عمر سیستم در حالت برانگیخته کوتاه است. به طور لحظه‌ای و یا با ساطع کردن یک فوتون یا فونون سیستم انرژی اضافی خود را آزاد می‌کند و به حالتی با انرژی پایین‌تر و یا حالت پایه برمی‌گردد.

اگر طول عمر این حالتهای برانگیخته زیاد باشد به آنها نیمه‌پایدار (metastable) می‌گویند. ایزومرهای هسته‌ای با طول عمر زیاد و همچنین حالت اکسیژن یگانه مثالهایی از این حالتهای نیمه‌پایدار هستند.

برانگیختگی اتمی

مثال ساده‌ای از مفهوم برانگیختگی را می‌توان در اتم هیدروژن دید.

حالت پایه اتم هیدروژن مربوط به حالتی است که تنها الکترون آن در پایین‌ترین اربیتال (که مربوط به تابع موج با تقارن کروی است و کوچکترنی عدد کوانتومی ممکن را داراست) قرار دارد. اگر به اتم انرژی اضافه‌ای بدهیم (مثلا با تاباندن فوتونی با انرژی خاص به اتم) الکترون می‌تواند به حالت برانگیخته یعنی حالتی که عدد کوانتومی آن بیشتر از عدد کوانتومی حالت "۱s" است برود. اگر انرژی فوتون خیلی زیاد باشد الکترون از اتم جدا شده و اتم به یون تبدیل می‌شود.

بعد از برانگیختگی ممکن است اتم با ساطع کردن یک فوتون با همان انرژی اولیه به حالت قبلی برگردد.

اتم هیدروژن با الکتریسیته و حرارت هم برانگیخته می‌شود.

سطح برانگیخته

سطح برانگیخته سطحی است که اکترون بعد از جذب فوتون به آن سطح می‌رود. با ساطع کردن فوتونی که جذب شده الکترون می‌تواند به همان سطح اولیه‌اش بازگردد. برای مثال مدل اتم هیدروژن را که ساده‌ترین اتم موجود است در نظر بگیرید. در این مدل یک الکترون به دور یک پروتون می‌چرخد. فاصله اکترون از هسته مشخص است. در حالت پایه که عدد کوانتومی برابر با یک است فاصله الکترون تا هسته ^۱۱- ۱۰ متر (شعاع بوهر) است. الکترون همچنین می‌تواند در اربتال‌های بزرگتری که مربوط به عددهای کوانتومی بزرگتر هستند قرار بگیرد.

شعاع هسته ^۱۵- ۱۰ است. اتم در حالت پایه ۱۰۰۰۰ بار بزرگتر از هسته است. یعنی اگر هسته به اندازه یک تیله باشد اتم به اندازه میدان آزادی خواهد بود. الکترون می‌تواند از هر سطح انرژی با جذب فوتون به سطح بالاتر و با ساطع کردن فوتون به سطح پایین تر برود. اختلاف سطح اولیه و نهایی تعیین کننده طول موج و در نتیجه رنگ فوتون است. اگر عدد کوانتومی سطح اولیه n_۱ و سطح نهاییn_۲ باشد طول موج فوتون مربوطه از رابطه زیر بدست می‌آید:

$\frac{1}{\lambda}=R.(\frac{1}{n_1^2}-\frac{1}{n_2^2})\!$

که در آن R = 1,1.107m − 1 است.

منابع

• ویکی‌پدیای انگلیسی Excited state
• ویکی‌پدیای فرانسوی Excitation (physique)