Διεγερμένη κατάσταση
Στην κβαντική μηχανική, μια διεγερμένη κατάσταση (excited state) ενός συστήματος (όπως ένα άτομο, μόριο ή πυρήνας) είναι οποιαδήποτε κβαντική κατάσταση του συστήματος που έχει υψηλότερη ενέργεια από τη θεμελιώδη κατάσταση (ground state) (δηλαδή περισσότερη ενέργεια από το απόλυτο ελάχιστο). Η διέγερση αναφέρεται σε μια αύξηση στο ενεργειακό επίπεδο πάνω από ένα επιλεγμένο σημείο εκκίνησης, συνήθως τη θεμελιώδη κατάσταση, αλλά μερικές φορές μια ήδη διεγερμένη κατάσταση. Η θερμοκρασία μιας ομάδας σωματιδίων είναι ενδεικτική του επιπέδου διέγερσης (με αξιοσημείωτη εξαίρεση τα συστήματα που εμφανίζουν αρνητική θερμοκρασία). Η διάρκεια ζωής ενός συστήματος σε διεγερμένη κατάσταση είναι συνήθως μικρή: Αυθόρμητη ή επαγόμενη εκπομπή ενός κβάντου ενέργειας (όπως ένα φωτόνιο ή ένα [[φωνόνιο] ]]) εμφανίζεται συνήθως λίγο μετά την προώθηση του συστήματος στη διεγερμένη κατάσταση, επιστρέφοντας το σύστημα σε κατάσταση με χαμηλότερη ενέργεια (λιγότερο διεγερμένη κατάσταση ή θεμελιώδης κατάσταση). Αυτή η επιστροφή σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας συχνά περιγράφεται χαλαρά ως εξασθένιση (decay) και είναι το αντίστροφο της διέγερσης. Οι μακρόβιες διεγερμένες καταστάσεις ονομάζονται συχνά μετασταθείς. Τα μακρόβια πυρηνικά ισομερή και οξυγόνο απλής κατάστασης είναι δύο παραδείγματα αυτού.
Ατομική διέγερση
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Τα άτομα μπορούν να διεγερθούν από τη θερμότητα, τον ηλεκτρισμό ή το φως. Το άτομο υδρογόνου παρέχει ένα απλό παράδειγμα αυτής της έννοιας. Η θεμελιώδης κατάσταση του ατόμου του υδρογόνου έχει το μοναδικό ηλεκτρόνιο του ατόμου στο χαμηλότερο δυνατό τροχιακό (δηλαδή τη σφαιρικά συμμετρική κυματοσυνάρτηση 1s, η οποία, μέχρι στιγμής, έχει αποδειχθεί ότι έχει τους χαμηλότερους δυνατούς κβαντικούς αριθμούς). Δίνοντας στο άτομο πρόσθετη ενέργεια (για παράδειγμα, με απορρόφηση ενός φωτόνιου κατάλληλης ενέργειας), το ηλεκτρόνιο κινείται σε διεγερμένη κατάσταση (μία με έναν ή περισσότερους κβαντικούς αριθμούς μεγαλύτερους από τον ελάχιστο δυνατό). Όταν το ηλεκτρόνιο βρίσκεται το ίδιο ανάμεσα σε δύο καταστάσεις, μια μετατόπιση που συμβαίνει πολύ γρήγορα, βρίσκεται σε μια υπέρθεση και των δύο καταστάσεων[1] Κβαντικά άλματα, υποτίθεται ότι είναι στιγμιαία. Εάν το φωτόνιο έχει πολύ μεγάλη ενέργεια, το ηλεκτρόνιο θα πάψει να είναι σε δεσμευμένο στο άτομο, και το άτομο θα ιονιστεί. Μετά τη διέγερση το άτομο μπορεί να επιστρέψει στη θεμελιώδη ή σε χαμηλότερη διεγερμένη κατάσταση, εκπέμποντας ένα φωτόνιο με χαρακτηριστική ενέργεια. Η εκπομπή φωτονίων από άτομα σε διάφορες διεγερμένες καταστάσεις οδηγεί σε ένα ηλεκτρομαγνητικό φάσμα που εμφανίζει μια σειρά χαρακτηριστικών γραμμών εκπομπής (συμπεριλαμβανομένων, στην περίπτωση του ατόμου υδρογόνου, των Lyman, Balmer, Paschen και Brackett). Ένα άτομο σε υψηλή διεγερμένη κατάσταση ονομάζεται άτομο Rydberg. Ένα σύστημα εξαιρετικά διεγερμένων ατόμων μπορεί να σχηματίσει μια μακρόβια συμπυκνωμένη διεγερμένη κατάσταση, ύλη Rydberg.
Διαταραγμένη διέγερση αερίου
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Μια συλλογή μορίων που σχηματίζουν ένα αέριο μπορεί να θεωρηθεί σε διεγερμένη κατάσταση εάν ένα ή περισσότερα μόρια ανυψωθούν σε επίπεδα κινητικής ενέργειας, έτσι ώστε η προκύπτουσα κατανομή ταχύτητας να απομακρυνθεί από την ισορροπία της κατανομή Boltzmann. Αυτό το φαινόμενο έχει μελετηθεί στην περίπτωση ενός δισδιάστατου αερίου με κάποια λεπτομέρεια, αναλύοντας το χρόνο που απαιτείται για να χαλαρώσει στην ισορροπία.
Υπολογισμός διεγερμένων καταστάσεων
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Οι διεγερμένες καταστάσεις υπολογίζονται συχνά χρησιμοποιώντας το συζευγμένο σύμπλεγμα (coupled cluster), τη θεωρία διαταραχών Møller–Plesset, το πολυδιαμορφωτικό αυτοσυνεπές πεδίο (multi-configurational self-consistent field), την αλληλεπίδραση διαμόρφωσης (configuration interaction),[2] και τη χρονοεξαρτώμενη συναρτησιακή θεωρία πυκνότητας (time-dependent density functional theory).[3][4][5][6][7][8]
Απορρόφηση διεγερμένης κατάστασης
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Η διέγερση ενός συστήματος (ενός ατόμου ή μορίου) από μια διεγερμένη κατάσταση σε μια διεγερμένη κατάσταση υψηλότερης ενέργειας με την απορρόφηση ενός φωτονίου ονομάζεται απορρόφηση διεγερμένης κατάστασης (excited-state absorption, ESA). Η απορρόφηση διεγερμένης κατάστασης είναι δυνατή μόνο όταν ένα ηλεκτρόνιο έχει ήδη διεγερθεί από τη θεμελιώδη κατάσταση σε μια χαμηλότερη διεγερμένη κατάσταση. Η απορρόφηση διεγερμένης κατάστασης είναι συνήθως ένα ανεπιθύμητο αποτέλεσμα, αλλά μπορεί να είναι χρήσιμο στην άντληση ανοδικής μετατροπής.[9] Οι μετρήσεις απορρόφησης διεγερμένης κατάστασης γίνονται χρησιμοποιώντας τεχνικές αντλίας-ανιχνευτή όπως η αστραπιαία φωτόλυση (flash photolysis). Ωστόσο, δεν είναι εύκολο να μετρηθούν σε σύγκριση με την απορρόφηση θεμελιώδους κατάστασης και σε ορισμένες περιπτώσεις απαιτείται πλήρης λεύκανση της θμελιώδους κατάστασης για τη μέτρηση της απορρόφησης διεγερμένης κατάστασης.[10]
Αντίδραση
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]Μια περαιτέρω συνέπεια του σχηματισμού διεγερμένης κατάστασης μπορεί να είναι η αντίδραση του ατόμου ή του μορίου στη διεγερμένη του κατάσταση, όπως στη φωτοχημεία.
Παραπομπές
[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]- ↑ Quantum Leaps, Long Assumed to Be Instantaneous, Take Time
- ↑ Hehre, Warren J. (2003). A Guide to Molecular Mechanics and Quantum Chemical Calculations (PDF). Irvine, California: Wavefunction, Inc. ISBN 1-890661-06-6.
- ↑ Glaesemann, Kurt R.; Govind, Niranjan; Krishnamoorthy, Sriram; Kowalski, Karol (2010). «EOMCC, MRPT, and TDDFT Studies of Charge Transfer Processes in Mixed-Valence Compounds: Application to the Spiro Molecule». The Journal of Physical Chemistry A 114 (33): 8764–8771. doi:. PMID 20540550. Bibcode: 2010JPCA..114.8764G.
- ↑ Dreuw, Andreas; Head-Gordon, Martin (2005). «Single-Reference ab Initio Methods for the Calculation of Excited States of Large Molecules». Chemical Reviews 105 (11): 4009–37. doi:. PMID 16277369.
- ↑ Knowles, Peter J.; Werner, Hans-Joachim (1992). «Internally contracted multiconfiguration-reference configuration interaction calculations for excited states». Theoretica Chimica Acta 84 (1–2): 95–103. doi:.
- ↑ Foresman, James B.; Head-Gordon, Martin; Pople, John A.; Frisch, Michael J. (1992). «Toward a systematic molecular orbital theory for excited states». The Journal of Physical Chemistry 96: 135–149. doi:.
- ↑ Glaesemann, Kurt R.; Gordon, Mark S.; Nakano, Haruyuki (1999). «A study of FeCO+ with correlated wavefunctions». Physical Chemistry Chemical Physics 1 (6): 967–975. doi:. Bibcode: 1999PCCP....1..967G.
- ↑ Ariyarathna, Isuru (1 Μαρτίου 2021). First Principle Studies on Ground and Excited Electronic States: Chemical Bonding in Main-Group Molecules, Molecular Systems with Diffuse Electrons, and Water Activation using Transition Metal Monoxides (Διδακτορική διατριβή) (στα Αγγλικά). hdl:10415/7601
.
- ↑ Paschotta, Rüdiger. «Excited-state Absorption». www.rp-photonics.com.
- ↑ Dolan, Giora; Goldschmidt, Chmouel R. (1976). «A new method for absolute absorption cross-section measurements: rhodamine-6G excited singlet-singlet absorption spectrum». Chemical Physics Letters 39 (2): 320–322. doi:. Bibcode: 1976CPL....39..320D.
