Введение
Квантовые состояния с энергией выше минимально возможной
В квантовой механике возбужденным состоянием системы (например, атома, молекулы или ядра) является любое квантовое состояние системы, имеющее более высокую энергию, чем основное состояние (то есть, большую энергию, чем абсолютный минимум). Возбуждение – это увеличение уровня энергии относительно выбранной исходной точки, обычно основного состояния, но иногда и уже возбужденного состояния. Температура группы частиц является индикатором уровня возбуждения (с заметным исключением систем, демонстрирующих отрицательную температуру). Время жизни системы в возбужденном состоянии обычно невелико: спонтанное или индуцированное излучение кванта энергии (например, фотона или фонона) обычно происходит вскоре после перехода системы в возбужденное состояние, возвращая систему в состояние с более низкой энергией (менее возбужденное состояние или основное состояние). Этот возврат к более низкому уровню энергии часто неформально называют распадом и является обратным процессу возбуждения. Длительноживущие возбужденные состояния часто называют метастабильными. Длительноживущие ядерные изомеры и синглетный кислород – два примера таких состояний.
Атомное возбуждение
Атомы могут возбуждаться теплом, электричеством или светом. Атом водорода служит простым примером этой концепции. Основное состояние атома водорода характеризуется тем, что единственный электрон атома находится на самой низкой возможной орбитали (то есть сферически симметричной волновой функции "1s", которая, как было показано, обладает наименьшими возможными квантовыми числами). Придавая атому дополнительную энергию (например, посредством поглощения фотона с соответствующей энергией), электрон переходит в возбужденное состояние (состояние с одним или несколькими квантовыми числами, превышающими минимально возможные). Когда электрон оказывается между двумя состояниями, переход, происходящий очень быстро, представляет собой суперпозицию обоих состояний. Если энергия фотона слишком велика, электрон перестает быть связанным с атомом, и атом ионизируется. После возбуждения атом может вернуться в основное состояние или в более низкое возбужденное состояние, испуская фотон с характерной энергией. Излучение фотонов атомами в различных возбужденных состояниях приводит к образованию электромагнитного спектра, демонстрирующего ряд характерных линий эмиссии (включая, в случае атома водорода, серии Лаймана, Балмера, Пашена и Брэкета). Атом в состоянии высокой возбужденности называется атомом Ридберга. Система высоковозбужденных атомов может формировать долгоживущее конденсированное возбужденное состояние, известное как материя Ридберга.
Возбуждение газа с нарушениями
Коллекцию молекул, образующих газ, можно считать находящейся в возбужденном состоянии, если одна или несколько молекул переведены на уровни кинетической энергии, в результате чего распределение скоростей отклоняется от равновесного распределения Больцмана. Это явление было детально изучено на примере двумерного газа, в ходе чего анализировалось время, необходимое для возврата в состояние равновесия.
Расчет возбужденных состояний
Возбужденные состояния часто рассчитываются с использованием метода связанных кластеров, теории возмущений Мёллера — Плессе, многоконфигурационного самосогласованного поля, метода взаимодействия конфигураций и теории функционала плотности, зависящей от времени.
Поглощение в возбужденном состоянии
Возбуждение системы (атома или молекулы) из одного возбужденного состояния в возбужденное состояние с более высокой энергией при поглощении фотона называется поглощением в возбужденном состоянии (ESA). Поглощение в возбужденном состоянии возможно только после того, как электрон уже был возбужден из основного состояния в более низкое возбужденное состояние. Поглощение в возбужденном состоянии обычно является нежелательным эффектом, но может быть полезно при накачке для преобразования частоты. Измерения поглощения в возбужденном состоянии проводятся с использованием методов накачки-зондирования, таких как импульсный фотолиз. Однако их сложнее измерить по сравнению с поглощением в основном состоянии, и в некоторых случаях для измерения поглощения в возбужденном состоянии требуется полное обесцвечивание основного состояния.
Реакция
Дальнейшим следствием формирования возбужденного состояния может быть реакция атома или молекулы, находящейся в возбужденном состоянии, как это происходит в фотохимии.