Excitace

Excitace(nebolivybuzení) jefyzikálníproces, při kterém dochází k přechodu základníhoenergetickéhostavuatomu,molekulyčiiontudo stavu s vyšší energetickou hladinou. Excitovaná částice se pak nachází vexcitovaném stavu.Platí, že nestabilita systému je tím větší, čím větší je jeho excitace, protože každý systém se snaží být ve stavu s nejnižší možnou energií, tedy v základním stavu.

Excitace může být způsobena například nárazem,absorpcí teplanebo absorpcífotonu.To způsobí přenos elektronu ze základního stavu velektronovém obaluatomu na vyšší energetickou hladinu. Elektron je pak v excitovaném stavu, ale stále zůstává součástí atomu.

Opakem excitace jedeexcitace,kdy se excitovaný elektron vrátí zpět do stavu s nižší energií. To je doprovázenospontánní emisífotonu nebo přenosem energie na jinou částici. Uvolněná energie se rovná rozdílu energetických hladin excitovaného elektronu a elektronu v základním stavu.

Příčiny excitace

Základní stav elektronu (elektron je označen šipkou a nachází se v orbitalu 1)

Excitace elektronů může mít několik příčin. Mezi ty základní patří:

Excitace srážkou, při které dochází ke srážce s elektrony s vyšší energií. Jestliže se volný elektron (řidčeji ion nebo neutrální atom) přiblíží do těsné blízkosti atomu, předá mu část svékinetické energie.Jestliže předaná energie odpovídá přesně rozdílu dvou energetických hladin, vázaný elektron přeskočí z nižší hladiny na vyšší. Výsledkem je excitovaný atom a pomalejší pohyb narážejícího elektronu.
Pohlcení fotonu elektronem
Excitace zářením, při které dochází k absorpci (pohlcení) fotonu. Energie fotonu se opět musí rovnat energii potřebné pro přeskok elektronu z nižší na vyšší hladinu.
Excitace teplotou se týká předevšímplynůaplazmatu(hvězdy,mlhoviny), v nichž není termodynamická rovnováha. Excitaci atomů ve stavu termodynamické rovnováhy vyjadřuje kvantitativněBoltzmannova rovnice.
Excitovaný stav elektronu (elektron je označen šipkou a nachází se v orbitalu 2)
Excitace rekombinací, kdy dochází k zachycení volného elektronu kladnýmiontem.Je to opačný proces kionizaci.

Pravidla excitace

Existuje několik pravidel pro přechod elektronu do excitovaného stavu, která jsou známá jako pravidla výběru:

Elektron musí absorbovat takové množství energie, které odpovídá energetickému rozdílu mezi jeho aktuální energetickou hladinou a neobsazenou vyšší energetickou hladinou.
Frankův-Condonův princip říká, že absorpce fotonu elektronem a následný skok mezi energetickými hladinami je téměř okamžitý. Naopakatomové jádro,kolem kterého se elektron pohybuje, se nemůže přizpůsobit změně polohy elektronu ve stejném čase a může tak být uvedeno do vibračního stavu.
Laporteho pravidlo říká, že dva energetické stavy, mezi nimiž elektron přechází, musí mít odlišnousymetrii.
Pravidlo zachování spinu říká, že při excitaci elektronu musí být zachovánspinovýstav atomu nebo molekuly.
Za určitých okolností mohou být některá pravidla výběru porušena a excitované elektrony mohou provádět zakázané přechody.Spektrální čáryspojené s takovými přechody jsou známé jako zakázané čáry.

Excitace a chemická vazba

Pro zahájeníchemické reakceje třeba, aby reagující látky překonaly určitou energetickou bariéru, které se říkáaktivační energieE_A.Po dodání této energie přecházejívalenční elektronyatomu doexcitovaného stavu,tedy do energeticky bohatších hladin. Atom v excitovaném stavu není stabilní, buď přejde zpět do základního stavu nebo se může zúčastnit reakce za vznikuchemické vazby,která je pro něj energeticky výhodná.

Napříkladelektronová konfiguraceexcitovaného stavu atomuuhlíkuC vysvětluje, proč vstupuje do chemických reakcí se 4 excitovanými elektrony a vytváří ve sloučeninách 4 chemické vazby. Obsahuje totiž 4 excitované elektrony - 1 nespárovaný valenční elektron v orbitalu 2s a 3 nespárované valenční elektrony v orbitalu 2p. Tyto elektrony jsou navíc rovnocenné, neboť po excitaci dojde k energetickému sjednocení orbitalů -hybridizaci orbitalů.

Excitace atomu uhlíku C a hybridizace jeho sp³orbitalů
Výchozí stav atomu C	$C\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \downarrow }{2s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{x}}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{y}}}\;{\frac {\,\,}{2p_{z}}}$	Ve výchozím stavu má atom C pouze 2 nepárové elektrony.
Excitovaný stav atomu C	$C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{x}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{y}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{z}}}$	Pohlcením energie přejde elektron z orbitalu2sdo energeticky vyššího orbitalu2p.
Hybridizovaný stav atomu C	$C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}$	Energie orbitalů2sa2pje blízká a dovoluje sjednocení – hybridizaci. Místo jednoho orbitalusa tří orbitalůpvznikají čtyřisp³hybridní orbitaly.

Projevy excitace

Excitace se může ve hmotě projevit mnoha způsoby:

Vmikroskopickémměřítku například uplynůdochází ke zvýšenístřední kvadratické rychlostičástic nebo u atomů samotných dochází k přeskokuelektronůmezienergetickými hladinamiobalu atomu.
Vmakroskopickémměřítku způsobuje excitace zvýšenívnitřní energiedané hmoty.
Excitace elektronů v plynných látkách se silně liší od excitace v pevných látkách, kvůli odlišné povaze elektronických úrovní a strukturních vlastností některých pevných látek.
V polovodičové krystalové mřížce je tepelná excitace proces, při kterém vibrace mřížky poskytují dostatek energie k přenosu elektronů do vyššího energetického pásma.
Excitace je například klíčová pro funkcilaseru.Elektrony excitované na vyšší hladiny se následně vracejí a energie, která jim byla dodána, se zpětně uvolňuje ve formě fotonů.
Zvláštní formou excitace je tvorbaantihmoty.

Související články

Reference

V tomto článku byly použitypřekladytextů z článkůCharakteristische Röntgenstrahlungna německé Wikipedii aElectron excitationna anglické Wikipedii.

Technický slovník naučný.Praha: Encyklopedický důmISBN 80-86044-18-1.