Excitación en Física | Fundamentos y Ejemplos

La excitación en física es el proceso por el cual un sistema aumenta su energía. Este artículo explica los fundamentos y ofrece ejemplos prácticos.

En el campo de la física, la excitación se refiere al proceso en el cual un sistema físico, generalmente un átomo o una molécula, cambia de un estado de menor energía a un estado de mayor energía. Este cambio puede ocurrir por varias razones, como la absorción de un fotón, una colisión con otra partícula o la aplicación de algún tipo de campo externo. Entender la excitación es crucial porque está en la base de muchos fenómenos físicos y aplicaciones tecnológicas, desde la fluorescencia hasta el funcionamiento de los dispositivos semiconductores.

Fundamentos de la Excitación

Para comprender cómo funciona la excitación, es esencial tener una base en la mecánica cuántica. En la mecánica cuántica, los sistemas físicos como los átomos y las moléculas tienen niveles de energía discretos. Esto significa que solo pueden existir en ciertos estados de energía específicos, denominados como estados cuánticos.

Un estado fundamental es el estado de menor energía posible de un sistema.
Un estado excitado es cualquier estado con una energía mayor que la del estado fundamental.

Cuando un sistema pasa del estado fundamental a un estado excitado, decimos que ha sido excitado. Este proceso requiere energía, y la cantidad exacta depende de las diferencias entre los niveles de energía.

Teorías y Modelos

Los modelos y teorías que explican la excitación suelen involucrar principios de la mecánica cuántica y del electromagnetismo. Aquí se presentan algunos conceptos claves:

Mecánica cuántica: Este campo de la física proporciona la base para entender cómo los sistemas cambian entre distintos estados de energía. La ecuación de Schrödinger es fundamental en este contexto:

\[ \hat{H} \psi = E \psi \]
donde \(\hat{H}\) es el operador Hamiltoniano que representa la energía total del sistema, \(\psi\) es la función de onda y \(E\) es la energía del estado.
Transiciones electrónicas: En los átomos y moléculas, las transiciones entre los estados de energía suelen ser electrónicas. La ecuación de energía para un electrón en un átomo hidrogenoide es:
\[ E_n = -\frac{Z^2}{n^2} \frac{13.6 \, \text{eV}}{} \]
donde \(Z\) es el número atómico, \(n\) es el número cuántico principal.
Regla de selección: No todas las transiciones entre niveles de energía son permitidas. Las reglas de selección dictan qué transiciones son posibles, usualmente en función de cambios en el número cuántico orbital \( \Delta l = \pm 1 \).

Procesos de Excitación Comunes

Existen varios procesos mediante los cuales un sistema puede ser excitado. Aquí se describen algunos de los más comunes:

Absorción de Fotones: Cuando un sistema absorbe un fotón (una partícula de luz), puede ganar suficiente energía para moverse a un estado excitado. La energía del fotón \(E\_f\) está relacionada con su frecuencia \( \nu \) mediante la relación \(E\_f = h \nu\), donde \(h\) es la constante de Planck.
Excitación Térmica: En condiciones de alta temperatura, el aumento de energía térmica puede excitar átomos y moléculas. Este fenómeno se explica a menudo usando la distribución de Boltzmann, que describe cómo la energía se distribuye entre los estados disponibles:

\[ P(E_i) = \frac{g_i e^{-E_i/kT}}{Z} \]
donde \(P(E_i)\) es la probabilidad de que el sistema esté en el estado \(E_i\), \(g_i\) es el factor de degeneración del estado, \(k\) es la constante de Boltzmann, \(T\) es la temperatura y \(Z\) es la función de partición.
Colisiones: En el medio de un gas o un plasma, las colisiones entre partículas pueden proporcionar la energía necesaria para la excitación. Por ejemplo, en una lámpara de vapor de mercurio, los átomos de mercurio son excitados por las colisiones con los electrones.