Angeregter Zustand

Ein angeregter Zustand eines physikalischen Systems ist jeder Zustand, dessen Energie größer als die des Zustands mit der niedrigst möglichen Energie, des Grundzustands, ist. Der Begriff wird hauptsächlich bei Systemen verwendet, die nur bestimmte Zustände mit diskreten Energien annehmen können und daher mit der Quantenmechanik beschrieben werden.

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Angeregte Zustände sind grundsätzlich nicht stabil, da ein sich selbst überlassenes physikalisches Systeme immer versucht ist, seine Energie zu minimieren (ein losgelassenerer Ball fällt zu Boden). Ein Zustand kann allerdings zeitweise stabil sein (Metastabilität), wenn eine weitere Energieabsenkung zunächst eine Aktivierung erfordert (ein Stein kommt in einer Kuhle am Berghang zu ruhen). Da in quantenmechanischen Systemen keine fließenden Übergänge zu beliebigen niedrigeren Energien möglich sind, besitzt ein angeregter Zustand eine endliche Lebensdauer bevor ein sprunghafter Übergang zu tieferen Energieniveaus erfolgt. Metastabile Zustände kennzeichnen sich hier durch relativ lange Lebensdauern.

Angeregte Zustände in der Quantenmechanik

Ein einfaches Beispiel eines quantenmechanischen Systems ist ein Atom. Sein Grundzustand ist durch die energetisch niedrigste Elektronenkonfiguration im Wesentlichen eindeutig bestimmt. Durch Energiezufuhr, insbesondere durch Absorption eines Photons mit geeigneter Energie (Licht) oder Stoßanregung (Wärme), kann ein Elektron auf ein höheres Energieniveau angehoben werden. Zur Charakterisierung dieses angeregten Zustands reicht allerdings im Allgemeinen seine Energie alleine nicht aus, sondern es sind mehrere Quantenzahlen erforderlich.

Der Zerfall in einen energetisch tieferen Zustand erfolgt entweder spontan oder wird durch eine äußere Störung ausgelöst (stimulierte Emission, Laser). Die frei werdende Energie wird dabei in irgendeiner Form, oft durch Emission eines Photons, an die Umgebung abgegeben. Im Falle eines angeregten Atoms oder Moleküls kann der Übergang in ein tieferes Energieniveau strahlend (spontane oder auch stimulierte Emission), aber auch strahlungslos (Abgabe der Energie an die Umgebung in Form von Wärme) erfolgen.

Um die Besetzung angeregter Zustände in Vielteilchensystemen zu charakterisieren, wird oft auf eine Beschreibung durch Quasiteilchen zurückgegriffen. Beispielsweise wird die Anregung von Gitterschwingungen in einem Kristall zweckmäßigerweise durch die Erzeugung von Phononen beschrieben.

Beispiele

Durch Stoßanregung wird unter anderem die Flammenfärbung durch Alkali- und Erdalkalimetalle erklärt. Dort wird die Energiezufuhr durch Stöße zwischen den Atomen (und Molekülen) in der heißen Flamme -– also durch Wärme -– erzeugt.

Auch bei in Gasentladungsröhren (z.B. Neonröhren) erzeugtem Licht ist Stoßanregung in den angeregten Zustand im Spiel: Der Prozess verläuft hier für die Edelgasatome ähnlich wie bei der Flammenfärbung der Alkali- und Erdalkalimetalle -- nur dass hier die Stöße zwischen den Atomen in der Gasentladung durch den Entladungsstrom verursacht wird.

Wenn Atome die Anregungsenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung (Licht) aufnehmen, absorbieren sie dieselbe Wellenlänge, die sie beim Übergang in den Grundzustand wieder abgeben (emittieren), es entsteht ein Absorptionsspektrum.