¿Qué es un estado excitado?

En física, se dice que un sistema está en un estado excitado si está en un nivel de energía más alto que su nivel de energía de línea de base o estado fundamental. El "sistema" puede ser un átomo, molécula, ion u otra partícula. Cuando el sistema absorbe energía, pasa a un estado excitado y, cuando emite energía, vuelve a un estado fundamental. Los electrones en un átomo, por ejemplo, existen en su estado fundamental hasta que absorben energía que los hace saltar a un orbital de mayor energía. Cuando esto ocurre, se diría que el electrón está en un estado excitado.

Los electrones, como partículas cargadas negativamente, se unen a los protones cargados positivamente en el núcleo de un átomo mediante la fuerza electromagnética. Rodean el núcleo en una serie de orbitales atómicos, cada uno de los cuales corresponde a un nivel de energía discreto. Cada órbita alrededor del núcleo atómico, conceptualizada como una capa de electrones, solo puede contener un cierto número de electrones. Los niveles de energía más bajos tienden a llenarse primero. Cuando se llena un caparazón dado, comenzará a poblarse un estado de mayor energía.

Es posible que un electrón salte a un nivel de energía más alto antes de que se complete ese nivel, pero esto requiere energía del exterior del sistema. Esta energía puede venir en forma de un fotón, la unidad básica de luz y otras radiaciones electromagnéticas. Cuando un fotón golpea el átomo, la energía impulsa el electrón a un nivel de energía más alto.

Un electrón requiere más energía para saltar del primer nivel de energía al segundo que del segundo al tercero. Esto se debe a que la fuerza de atracción del campo eléctrico del núcleo es más fuerte cerca del núcleo y disminuye con la distancia. Los electrones en la periferia del campo eléctrico, lejos del núcleo, pueden excitarse hasta el punto de liberarse por completo del átomo. Cuando esto sucede, el átomo pierde esa unidad de carga negativa y se ioniza; en otras palabras, ya no tiene carga neutra, sino que se convierte en un ion con carga positiva.

El estado excitado es a menudo breve. Después de saltar a un nivel de energía más alto, un electrón generalmente emitirá un fotón o fonón, una unidad de luz o calor, para volver a su estado fundamental. Esto puede suceder naturalmente, a través de la emisión espontánea, o artificialmente, a través de la emisión estimulada. En casos raros, el estado excitado se conserva durante más tiempo en un átomo, modificando sus propiedades químicas.

Muchos dispositivos productores de luz están diseñados para excitar electrones para generar fotones a través de emisiones espontáneas o estimuladas. Los láseres, por ejemplo, funcionan a través de la emisión estimulada. Los tubos fluorescentes y los tubos de rayos catódicos usan emisión espontánea para producir luz.