Estáu Escitáu

En mecánica cuántica un estáu escitáu d'un sistema (como un electrón, nucleu atómicu, átomu, o molécula) ye cualesquier estáu cuánticu metaestable, que gociando d'una mayor enerxía que l'estáu fundamental (esto ye, más enerxía que'l mínimu absolutu), "aparra bonalmente" evolucionando escontra l'estáu fundamental.

La vida útil d'un sistema nun estáu escitáu suel ser curtia: la emisión bonal o inducida d'un cuanto d'enerxía (como un fotón o un fonón) polo xeneral asocede pocu dempués de que'l sistema fuera promovíu al estáu escitáu, volviendo'l sistema a un estáu con una enerxía más baxa (un estáu menos escitáu o l'estáu fundamental). Esta torna a un nivel d'enerxía ye, de cutiu imprecisamente llamáu escayencia y ye l'inversu de la escitación.

Los estaos escitaos de vida media llarga llámense de cutiu metaestables. Los isómeros nucleares de vida media llarga, y el osíxenu singlete son dos exemplos d'esto.

Un exemplu senciellu d'escitación atómica ye la que s'atopa nel átomu d'hidróxenusobremanera nel estáu del so únicu electrón. Un electrón nun átomu d'hidróxenu puede tener diversos estaos enerxéticos, tal como prediz adecudamente el Modelu atómicu de Schrödinger, l'estáu de más baxa enerxía ye'l llamáu estáu fundamental.

El estáu fundamental del átomu d'hidróxenu correspuende a tener l'únicu electrón del átomu na órbita o nivel d'enerxía más baxu posible, (esto ye, la función d'onda "1s", que presenta simetría esférica, y que tien los númberos cuánticos más baxos posibles). Al dar una enerxía adicional al átomu (por casu, pola absorción d'un fotón d'una enerxía fayadiza, o por calentamientu a alta temperatura, o por escitación llétrica dientro d'un campu llétrico), l'electrón ye capaz de movese a un estáu escitáu (un estáu con unu o más númberos cuánticos mayores que'l mínimu posible). Si'l fotón tien demasiada enerxía, l'electrón dexa de tar venceyáu al átomu, va escapar del átomu, y l'átomu va quedar convertíu nun ion positivu o catión, esto ye, l'átomu se ionizará.

Empíricamente reparar que dempués de la escitación, l'átomu pasa a un estáu escitáu inferior, o al estáu fundamental, emitiendo un fotón con una enerxía carauterística, igual a la diferencia d'enerxía ente los niveles de salida y llegada. Esto dase porque realmente tolos estaos escitaos de fechu son estaos metaestables siendo l'únicu estáu verdaderamente estable l'estáu fundamental. El pasu a un nivel d'enerxía inferior va a compañado de la emisión de fotones por átomos en distintos estaos escitaos conduz a un espectru electromagnéticu qu'amuesa una serie de carauterístiques llinies d'emisión (tenemos, nel casu del átomu d'hidróxenu, la serie de Lyman, serie de Balmer, serie de Paschen, serie de Brackett y serie de Pfund.) Nin la mecánica cuántica ordinaria, nin el modelu atómicu de Schrödinger esplicaben porque los estaos escitaos nun yeren indefinidamente estables. Col desenvolvimientu de la electrodinámica cuántica comprobóse que la posibilidá de qu'esistieren fluctuaciones del campu electromagnéticu faía que l'hamiltoniano del sistema formáu pol átomu y la so posible interacción cuántica col campu electromagnéticu fluctuante del vacíu, faía que los estaos escitaos de fechu nun fueren puramente estaos estacionarios y por tanto, namái yeren estaos metaestables qu'acababen decayendo.

Un átomu nun estáu escitáu de bien alta enerxía denominar átomu de Rydberg. Un sistema d'átomos altamente escitaos puede formar un estáu escitáu entestáu de vida media llarga, por casu, una fase entestada compuesta dafechu d'átomos altamente escitaos: la materia de Rydberg.

Asina pos un átomu o cualesquier otru sistema puede escitase por absorción de fotones d'una frecuencia carauterística, o tamién por aciu el calor o la lletricidá.

Causes de la inestabilidá

Los estaos escitaos pa un átomu hidroxenoide, calculaos pol modelu atómicu de Schrödinger vense afeutaos pola presencia de fluctuaciones mecanocuánticas del vacíu. Asina cuando'l Hamiltoniano d'un átomu hidroxenoide complicar pa representar la interacción ente los electrones en cualquier estáu amestáu y los fotones virtuales acomuñaos al campu electromagnéticu asocede daqué notable: tolos estaos amestaos percima del estáu fundamental, pasen a ser estaos metaestables, de fechu la so enerxía puede representase como:

${\displaystyle Y_{k}^{(em)}=Y_{k}^{(0)}+i\hbar \omega _{k}}$ 

Onde:

${\displaystyle Y_{k}^{(em)}}$  ye la enerxía correxida del estáu escitáu en presencia del campu electromagnéticu.
${\displaystyle Y_{k}^{(0)}}$  ye la enerxía del estáu ligdo k-ésimo nel modelu de Schrödinger.
${\displaystyle \omega _{k}=2\pi /T_{k}}$  ye la frecuencia d'escayencia, onde ${\displaystyle T_{k}}$  representa'l tiempu mediu de sobrevivencia del estáu escitáu.

La ecuación de Schrödinger lleva a que cualquier estáu escitáu metaetable decaiga nel estáu fundamental según una llei esponencial.

Munchos nucleos atómicos d'átomos radioactivos pueden considerase que son estaos escitaos. Como tales, son estaos metaestables que pueden persistir mientres llargos periodos a pesar de nun ser estables. Sicasí, al igual qu'asocede cola escitación atómica de los electrones, pasáu un tiempu, l'estáu metaestable del nucleu aparra y emite delles partícules alfa, beta o gamma.

Al igual que nel casu de la escitación atómica la llei d'escayencia de los materiales radiactivos resulta ser una llei esponencial:

${\displaystyle {\frac {{\text{d}}N(t)}{{\text{d}}t}}=-\gamma _{r}N(t)}$ 

La diferencia principal colos estaos escitaos electrónicos, ye que los estaos escitaos típicos de munchos nucleos atómicu tienen una vida media de miles d'años ya inclusive millones d'años.

Un conxuntu de molécules que formen un gas puede considerase nun estáu escitáu, si una o más molécules alzar a niveles d'enerxía cinética tales que la distribución de velocidaes resultante alloñar del equilibriu de la distribución de Boltzmann. Esti fenómenu foi estudiáu nel casu d'un gas bidimensional con ciertu detalle, analizando'l tiempu necesariu pa relaxase hasta l'equilibriu.

• Fórmula de Rydberg
• Estáu estacionariu
• Plasma

Enllaces esternos

• Imaxe d'un átomu d'hidróxenu camudando dende'l so estáu fundamental a un estáu escitáu
• Información básica de la NASA sobre los estaos fundamental y escitao (n'inglés)