O que se entende por átomo excitado?

Introdução

Em geral, um estado do sistema físico é descrito por um conjunto de variáveis. Vamos considerar a variável “Energia interna do sistema”

Estados do sistema

Diz-se que um sistema está em seu “estado fundamental” quando está no nível de energia mais baixo possível Qualquer outro estado é então um “Estado Excitado” e corresponderia a um nível de energia maior que o do estado fundamental (por definição é o nível mínimo)

Exemplo

Vamos considerar como sistema físico o átomo de hidrogênio que é formado por um próton e um elétron.

É um sistema mecânico quântico limitado, então os níveis de energia são discretos. Suponhamos que o elétron esteja no orbital mais baixo possível (s1): esse é o estado fundamental do sistema.

Se você fornecer a quantidade certa de energia (lembre-se de que o espectro de energia é discreto) por meio de um fóton atingindo o sistema, o sistema irá absorver a energia do fóton e armazená-la como “energia interna” com o elétron pulando para orbitais externos. Então, o sistema passa para um estado excitado, pois não está mais em seu estado fundamental (seu elétron único mudou de orbital).

Considere que, em geral, os sistemas tendem a minimizar sua energia potencial, então os “estados excitados” são instáveis: quanto mais tempo o sistema permanece excitado, maior a probabilidade de um declínio.

Para concluir nosso exemplo, vamos considerar o caso do átomo se tornando um íon, isso acontece se a quantidade de energia absorvida for tão alta que o elétron pode superar a barreira de potencial negativo do estado ligado e se tornar um “ partícula livre ”(na verdade, você tem que se lembrar sobre a dualidade partícula-onda).

Nesse caso, você não pode dizer que o sistema está animado, ele mudou completamente: ele não está mais ligado ao sistema qm composto de próton e elétron.

Comentários

• Obrigado Nicola por sua resposta …… apenas para esclarecer: Então, um átomo excitado é aquele cuja energia aumentou e é exibido como uma transferência de alguns de seus elétrons para orbitais mais distantes. Se um átomo é feito para se mover mais rápido, mesmo que tenha uma energia mais alta em comparação com o estado inicial, isso não é chamado de excitar um átomo, certo? Tem a ver apenas com os elétrons. Certo?
• Bem, tecnicamente falando, depende do referencial que você está usando. Eu escolhi como sistema físico o átomo de hidrogênio, então coloquei o quadro de referência centrado no próprio átomo, para focar apenas em seu estado interno (e graus de liberdade). Se você está colocando o quadro de referência fora do átomo, você pode considerar também seu potencial (devido a um campo externo) e energia cinética, mas então seu sistema se torna um gás.
• Não entendi esta parte “, mas então seu sistema se torna um gás. ”

Excitação é uma elevação no nível de energia acima de um estado de linha de base arbitrário.

” Em inglês, por favor! ”

Então, o que isso significa efetivamente é que um átomo é considerado “excitado” quando seu nível de energia é mais alto do que o resto. Isso pode se manifestar como calor, luz, etc. Por exemplo, a Aurora Boreal. A Aurora é quando a radiação do sol excita os átomos do ar. Esses átomos precisam voltar à linha de base, de modo que liberam energia na forma de luz.

O fogão da sua cozinha é outro exemplo. As moléculas de água ao lado do aquecedor aumentaram de velocidade, então elas começam a se chocar contra outras moléculas próximas a elas, estimulando-as. E assim a panela esquenta.

Basicamente, os elétrons preferem ficar no menor nível de energia em um átomo. Se certa quantidade de energia é fornecida a ele, ele salta para um nível de energia mais alto. Existem níveis de energia discretos, então e- aceitaria apenas alguma energia particular para obter um nível de energia superior. Quando ele retorna a um estado inferior, ele libera a energia na forma de fótons. Pesquise mais no espectro do hidrogênio.

Considere o seguinte modelo de um átomo:

Lembre-se de que é apenas um modelo e enquanto é um bom modelo que eleva nossa compreensão do mundo subatômico, ainda é apenas um modelo e a realidade será diferente. Como exatamente? Não sabemos. O modelo é bom o suficiente, porém, para entender o que é um átomo excitado.

Com esta advertência fora do caminho, podemos primeiro tentar entender o que é o estado fundamental. no meio você tem os prótons e os nêutrons que estão densamente compactados para formar o núcleo. Ele é carregado positivamente por $ Ze $, onde $ Z $ é o número de prótons e $ e $ é a carga unitária. O mesmo número $ Z $ dos elétrons devem orbitar o núcleo para tornar este átomo neutro. Se considerarmos $ Z = 1 $, temos apenas um elétron, e podemos ignorar as regras, onde exatamente o elétron pode estar devido à presença de outros elétrons ( consulte o Princípio de Pauli para obter mais informações).

Os níveis de energia do átomo são quantizados. Isso significa que existem apenas alguns níveis em que o elétron pode orbitar. Na imagem, eles são mostrados pelos círculos cinza (“camadas”). Se o elétron estiver na camada mais interna ($ n = 1 $), ele terá a energia mais baixa. Se estiver na segunda camada ($ n = 2 $), tem mais energia e assim por diante. Normalmente, um átomo deseja estar em seu estado fundamental, onde tem a energia mais baixa possível, ou seja, onde o elétron está na primeira camada. Quando o elétron orbita em outra camada que não a primeira, chamamos o átomo de excitado. Excitar um átomo pode acontecer, e. por irradiação, onde o elétron absorve energia de um fóton (luz) para chegar a uma das camadas externas. Depois de um tempo, o elétron vai voltar para a camada mais interna, ou seja, o átomo retorna ao seu estado fundamental. Uma vez que está em um estado de energia mais baixo, a conservação de energia nos diz que ele precisa emitir a energia restante. Isso é feito emitindo um fóton, com um comprimento de onda muito típico (consulte linhas espectrais para obter mais informações). Na imagem, isso é mostrado pela linha ondulada vermelha, onde $ \ Delta E $ é a diferença de energia entre a 2ª e a 3ª camadas e também a energia que o fóton irá carregar.