حالة الإثارة

في ميكانيكا الكم ، تُعرف الحالة المثارة لنظام ما (مثل الذرة أو الجزيء أو النواة ) بأنها أي حالة كمومية للنظام ذات طاقة أعلى من الحالة الأرضية (أي طاقة أكبر من الحد الأدنى المطلق). وتشير الإثارة إلى زيادة في مستوى الطاقة فوق نقطة بداية محددة، عادةً ما تكون الحالة الأرضية، ولكن أحيانًا حالة مثارة بالفعل. وتُعد درجة حرارة مجموعة من الجسيمات مؤشرًا على مستوى الإثارة (باستثناء الأنظمة التي تُظهر درجة حرارة سالبة ).

عادةً ما يكون عمر النظام في حالة الإثارة قصيرًا: إذ يحدث انبعاث تلقائي أو مُستحث لكمية من الطاقة (مثل الفوتون أو الفونون ) بعد فترة وجيزة من انتقال النظام إلى حالة الإثارة، مما يُعيد النظام إلى حالة طاقة أقل (حالة أقل إثارة أو الحالة الأرضية). تُعرف هذه العودة إلى مستوى طاقة أقل باسم إزالة الإثارة ^{[ 1 ]} ، وهي عكس الإثارة.

غالباً ما تُسمى الحالات المثارة طويلة الأمد بالحالات شبه المستقرة . وتُعد النظائر النووية طويلة الأمد والأكسجين المفرد مثالين على ذلك.

يمكن إثارة الذرات بالحرارة أو الكهرباء أو الضوء. وتُعد ذرة الهيدروجين مثالاً بسيطاً على هذا المفهوم.

في الحالة الأرضية لذرة الهيدروجين، يكون إلكترونها الوحيد في أدنى مدار ممكن (أي دالة الموجة " 1s " المتناظرة كرويًا ، والتي ثبت حتى الآن أنها تمتلك أدنى أعداد كمية ممكنة ). عند تزويد الذرة بطاقة إضافية (على سبيل المثال، بامتصاص فوتون ذي طاقة مناسبة)، ينتقل الإلكترون إلى حالة مثارة (حالة ذات عدد كمي واحد أو أكثر أكبر من الحد الأدنى الممكن). عندما يجد الإلكترون نفسه بين حالتين - وهو تحول يحدث بسرعة كبيرة - يكون في حالة تراكب بين الحالتين. ^{[ 2 ]} إذا كان الفوتون ذا طاقة زائدة، سينفصل الإلكترون عن الذرة، وستتأين الذرة .

بعد الإثارة، قد تعود الذرة إلى حالتها الأرضية أو إلى حالة إثارة أدنى، وذلك بإصدار فوتون ذي طاقة مميزة. ويؤدي انبعاث الفوتونات من الذرات في حالات الإثارة المختلفة إلى طيف كهرومغناطيسي يُظهر سلسلة من خطوط الانبعاث المميزة (بما في ذلك، في حالة ذرة الهيدروجين، سلاسل لايمان، وبالمر، وباشن، وبراكيت ).

تُسمى الذرة الموجودة في حالة إثارة عالية بذرة ريدبيرغ . ويمكن لنظام من الذرات ذات الإثارة العالية أن يشكل حالة إثارة مكثفة طويلة الأمد، تُعرف باسم مادة ريدبيرغ .

يمكن اعتبار مجموعة من الجزيئات المكونة لغاز في حالة إثارة إذا ارتفع مستوى طاقة جزيء واحد أو أكثر إلى مستويات طاقة حركية تجعل توزيع السرعة الناتج ينحرف عن توزيع بولتزمان في حالة الاتزان. وقد دُرست هذه الظاهرة بتفصيل في حالة غاز ثنائي الأبعاد ، مع تحليل الزمن اللازم للوصول إلى حالة الاتزان.

تُحسب الحالات المثارة عادةً باستخدام طرق التجميع المقترن ، ونظرية مولر-بليسيت للاضطراب ، والمجال المتسق ذاتيًا متعدد التكوينات ، وتفاعل التكوينات ، ^{[ 3 ]} ونظرية الكثافة الوظيفية المعتمدة على الزمن . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} عند استخدام طرق مونت كارلو التباينية ، والتي تُطبق عادةً على الحالة الأرضية فقط، يمكن حساب الحالات المثارة إما باستخدام طرق الجزاء، ^{[ 10 ]} أو طريقة الحالات المثارة الطبيعية، ^{[ 11 ]} والمعروفة أيضًا باسم طريقة غراسمان التباينية للمونت كارلو. ^{[ 12 ]}

يُطلق على إثارة نظام (ذرة أو جزيء) من حالة إثارة إلى حالة إثارة ذات طاقة أعلى مع امتصاص فوتون اسم امتصاص الحالة المثارة (ESA). ولا يحدث امتصاص الحالة المثارة إلا عندما يكون الإلكترون قد أُثير بالفعل من الحالة الأرضية إلى حالة إثارة أدنى. وعادةً ما يكون امتصاص الحالة المثارة تأثيرًا غير مرغوب فيه، ولكنه قد يكون مفيدًا في ضخ التحويل التصاعدي. ^{[ 13 ]} تُجرى قياسات امتصاص الحالة المثارة باستخدام تقنيات الضخ والاستشعار، مثل التحليل الضوئي الوميضي . ومع ذلك، فإن قياسها ليس بالأمر السهل مقارنةً بامتصاص الحالة الأرضية، وفي بعض الحالات، يتطلب قياس امتصاص الحالة المثارة تبييضًا كاملًا للحالة الأرضية. ^{[ 14 ]}

ومن النتائج الأخرى لتكوين الحالة المثارة تفاعل الذرة أو الجزيء في حالته المثارة، كما هو الحال في الكيمياء الضوئية .

• صيغة ريدبيرج
• حالة ثابتة
• حالة تنافرية

• معلومات أساسية من وكالة ناسا حول الحالة الأرضية والحالة المثارة