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Excitación atómica
Un ejemplo sencillo de excitación atómica es la que se encuentra en el átomo de hidrógeno, en particular en el estado de su único electrón. Un electrón en un átomo de hidrógeno puede tener diversos estados energéticos, tal como predice adecudamente el Modelo atómico de Schrödinger, el estado de más baja energía es el llamado estado fundamental.
El estado fundamental del átomo de hidrógeno corresponde a tener el único electrón del átomo en la órbita o nivel de energía más bajo posible, (es decir, la función de onda "1s", que presenta simetría esférica, y que tiene los números cuánticos más bajos posibles). Al dar una energía adicional al átomo (por ejemplo, por la absorción de un fotón de una energía adecuada, o por calentamiento a alta temperatura, o por excitación eléctrica dentro de un campo eléctrico), el electrón es capaz de moverse a un estado excitado (un estado con uno o más números cuánticos mayores que el mínimo posible). Si el fotón tiene demasiada energía, el electrón deja de estar vinculado al átomo, escapará del átomo, y el átomo quedará convertido en un ion positivo o catión, es decir, el átomo se ionizará.
Empíricamente se observa que después de la excitación, el átomo pasa a un estado excitado inferior, o al estado fundamental, emitiendo un fotón con una energía característica, igual a la diferencia de energía entre los niveles de salida y llegada. Esto se da porque realmente todos los estados excitados de hecho son estados metaestables siendo el único estado verdaderamente estable el estado fundamental. El paso a un nivel de energía inferior va a compañado de la emisión de fotones por átomos en diferentes estados excitados conduce a un espectro electromagnético que muestra una serie de características líneas de emisión (tenemos, en el caso del átomo de hidrógeno, la serie de Lyman, serie de Balmer, serie de Paschen, serie de Brackett y serie de Pfund.) Ni la mecánica cuántica ordinaria, ni el modelo atómico de Schrödinger explicaban porque los estados excitados no eran indefinidamente estables. Con el desarrollo de la electrodinámica cuántica se comprobó que la posibilidad de que existieran fluctuaciones del campo electromagnético hacía que el hamiltoniano del sistema formado por el átomo y su posible interacción cuántica con el campo electromagnético fluctuante del vacío, hacía que los estados excitados de hecho no fueran propiamente estados estacionarios y por tanto, sólo eran estados metaestables que acababan decayendo.
Un átomo en un estado excitado de muy alta energía se denomina átomo de Rydberg.2 Un sistema de átomos altamente excitados puede formar un estado excitado condensado de vida media larga, por ejemplo, una fase condensada compuesta completamente de átomos altamente excitados: la materia de Rydberg.
Así pues, un átomo o cualquier otro sistema puede excitarse por absorción de fotones de una frecuencia característica, o también mediante el calor o la electricidad.
Causas de la inestabilidad
Los estados excitados para un átomo hidrogenoide, calculados por el modelo atómico de Schrödinger se ven afectados por la presencia de fluctuaciones mecanocuánticas del vacío. Así cuando el Hamiltoniano de un átomo hidrogenoide se complica para representar la interacción entre los electrones en cualquier estado ligado y los fotones virtuales asociados al campo electromagnético sucede algo notable: todos los estados ligados por encima del estado fundamental, pasan a ser estados metaestables, de hecho su energía se puede representar como:
s partículas alfa, beta o gamma.