مفهوم برانگیختگی در شیمی چیست؟

برانگیختگی در شیمی

یکی از مفاهیم مهم و بنیادی در علم شیمی, مفهوم برانگیختگی, حالت پایه و حالت برانگیخته است. اُشیم در این مقاله قصد دارد تا به ساده ترین زبان ممکن, مبحث برانگیختگی را برای علاقه مندان به این حوزه تشریح نماید. اما قبل از پرداختن به بحث برانگیختگی و برای ساده تر شدن فهم موضوع, بهتر است نگاهی به مبحث مکانیک کوانتوم بیاندازیم.

مکانیک کوانتوم چه می گوید؟

مکانیک کوانتومی یک نظریه بنیادی در فیزیک است که توصیفی از خواص فیزیکی در مقیاس اتم ها و ذرات زیر اتمی ارائه و علم اطلاعات کوانتومی می دهد. فیزیک کلاسیک یا فیزیک نیوتونی، که شامل مجموعه نظریه های قبل از ظهور مکانیک کوانتومی است، بسیاری از جنبه های طبیعت را در مقیاس معمولی (ماکروسکوپی) توصیف می کند، اما برای توصیف آنها در مقیاس های کوچک تر ( یعنی مقیاس اتمی و زیر اتمی) جوابگو نیست. البته ذکر این نکته حائز اهمیت است که فیزیک کوانتوم و فیزیک کلاسیک در تضاد با یکدیگر نیستند و می توان بیشتر نظریه های فیزیک کلاسیک را از فیزیک کوانتوم یا همان مکانیک کوانتومی با یک تقریب معتبر در مقیاس بزرگ بدست آورد. یکی از مفاهیم مهم قوانین ریاضی مکانیک کوانتومی که در مبحث برانگیختیگی کاربرد دارد آن است که، مبادله در قابلیت پیش بینی بین کمیت های مختلف قابل اندازه گیری است. معروف‌ ترین شکل این موضوع, اصل عدم قطعیت است که می‌گوید که مهم نیست که یک ذره کوانتومی چگونه آماده شده باشد یا آزمایش ‌ها روی آن با چه دقتی انجام شوند، در هر حالت نمی‌توان پیش ‌بینی دقیقی برای اندازه‌گیری موقعیت آن و همچنین در عین حال اندازه‌گیری شتاب آن داشت. این مبحث مکانیک کوانتوم از این جهت برای بحث برانگیختگی با اهمیت است که نشان می دهد که نمی توان تراز های حالت پایه و برانگیخته را به صورت صد درصد و با قطعیت کامل مشخص نمود و انرژی آنها را مشخص کرد.

انرژی کوانتومی

یکی از مباحثی که در بحث کوانتوم مطرح است آن است که ذرات زیر اتمی و اتم ها با هر انرژی ای نمی توانند دچاربرانگیختگی شوند و یک مقدار انرژی خاص برای برانگیختگی آنها لازم است. (یا به اصطلاح یک بسته انرژی مورد نیاز است) یعنی آنکه برای انتقال از حالت پایه به برانگیخته اگر 10 الکترون ولت انرژی نیاز باشد, با 9 و یا 11 الکترون ولت این اتفاق نمی افتد و تنها 10 الکترون ولت سبب برانگیختگی می شود. این موضوع با مکانیک کلاسیک کمی در تناقض است. زیرا برای مثال اگر نیرویی معادل 10 نیوتن سبب جا به جایی جسمی شود, قطعا نیزوی 11 نیوتنی و بیشتر نیز این کار را انجام می هد, ولی در مورد ذرات زیر اتمی اینطور نمی باشد. با توجه به این مباحث, می توانیم به سراغ مفهوم برانگیختگی بپردازیم.

مفهوم برانگیختگی با توجه به مکانیک کوانتوم چیست؟

در مکانیک کوانتومی، حالت برانگیخته یک سیستم (منظور از سیستم یک اتم، مولکول یا هسته است) به هر حالت کوانتومی آن سیستم گفته می‌ شود که انرژی بیشتری نسبت به حالت پایه (یعنی انرژی بیشتر از حداقل مطلق) داشته باشد. یا به عبارت دیگر برانگیختگی به افزایش سطح انرژی بالاتر از نقطه شروع انتخابی گفته می شود (این نقطه شروع انتخابی معمولاً حالت پایه است, اما گاهی اوقات یک حالت برانگیخته قبلی نیز می تواند باشد) 

طول عمر یک سیستم در حالت برانگیخته معمولاً کوتاه است؛ با گسیل خود به خودی یا القایی یک بسته ی  کوانتومی انرژی (مانند فوتون) معمولاً مدت کوتاهی پس از برانگیختگی سیستم به حالت برانگیخته رخ می دهد و سیستم را به حالت با انرژی کمتر (حالت کمتر برانگیخته یا حالت پایه) باز می گرداند. این بازگشت به سطح انرژی پایین ‌تر اغلب به‌صورت آزادانه به عنوان فروپاشی توصیف می‌ شود و معکوس برانگیختگی است که معمولا با انتشار نور یا گرما همراه است و اصلا به همین دلیل است که ما اجسام را به صورت رنگی و در رنگ های متفاوت میبینیم.

اتم هیدروژن, مثالی ساده برای برانگیختگی

یک مثال ساده از مفهوم برانگیختگی را می توان با اتم هیدروژن مطرح نمود. حالت پایه اتم هیدروژن مربوط به داشتن تک الکترون اتم در پایین ترین مدار الکترونی ممکن است. با دادن انرژی اضافی به اتم (مثلاً با جذب یک فوتون با انرژی مناسب یا همان بسته انرژی)، الکترون قادر است به حالت برانگیخته حرکت کند. 

پس از برانگیختگی، اتم ممکن است با گسیل یک فوتون با انرژی مشخص به صورت گرما یا نور، به حالت پایه یا حالت برانگیختگی پایین ‌تر بازگردد. انتشار فوتون ‌ها از اتم‌ ها در حالت ‌های مختلف برانگیخته منجر به یک طیف الکترومغناطیسی می ‌شود که مجموعه‌ ای از خطوط انتشار با طول موج مشخص را نشان می‌دهد (از جمله، در مورد اتم هیدروژن، سری ‌های لیمن، بالمر، پاسچن و براکت که هر یک طول موج مشخص و رنگ متفاوتی دارند).

 منظور از اتم ریدبرگ چیست؟

اتمی در حالت برانگیختگی بالا را اتم ریدبرگ می نامند. سیستمی از اتم های بسیار برانگیخته می تواند یک حالت برانگیخته متراکم طولانی مدت را تشکیل دهد. یک فاز متراکم که کاملاً از اتم های برانگیخته تشکیل شده است را ماده ریدبرگ می نامند.

 تحریک گاز برانگیخته

مجموعه ‌ای از مولکول‌ هایی که یک گاز را تشکیل می‌دهند، می‌توانند در حالت برانگیخته در نظر گرفته شوند، اگر یک یا چند مولکول به سطوح انرژی جنبشی بالاتر بروند به طوری که توزیع سرعت حاصل از توزیع تعادلی بولتزمن خارج شود را تحریک گاز برانگیخته نامند.
در مکانیک و ریاضیات آماری، توزیع بولتزمن (همچنین به نام توزیع گیبس) یک توزیع احتمال یا اندازه گیری احتمال است که احتمال قرار گرفتن یک سیستم در یک حالت معین را به عنوان تابعی از انرژی آن حالت و دمای آن سیستم نشان می دهد.

محاسبه حالات برانگیخته

حالت های برانگیخته اغلب با استفاده از کلاسترهای جفت شده، نظریه آشفتگی مولر-پلست، میدان خودسازگار چند پیکربندی، برهم کنش پیکربندی یا کانفیگوراسیون و نظریه تابعی چگالی وابسته به زمان محاسبه می شوند. اما همانطور که در ابتدای مقاله و در بحث مکانیک کوانتوم گفته شد, محاسبه ی این مقدار هرچند با دقت و صحت باشد, اما باز هم به دلیل اصل عدم قطعیت, محاسبه ای با جواب صد در صد قطعی نیست.

فروشگاه مواد شیمیای اُشیم امیدوار است که از مطالعه ی این مقاله لذت و از مفاهیم مورد بحث در این مقاله استفاده های لازم را برده باشید.