基底状態と励起状態

基底状態と励起状態は、原子構造で説明する2つの原子状態である。基底状態と励起状態の概念は、天文学、量子力学、化学分析、分光学、そして医学などの分野で広く用いられている。この分野で活躍するためには、基底状態と励起状態を明確に理解することが非常に重要です。今回は、励起状態と基底状態とは何か、その類似性、基底状態と励起状態の応用、そして最後に励起状態と基底状態の違いについて説明する。

グランド状態

基底状態を理解するためには、まず原子の構造を理解する必要がある。最も単純な原子は水素原子である。原子核の周りを回る陽子と電子で構成されている。古典的な原子のモデルは、原子核と、その周りを回る電子である。原子の基底状態や励起状態を記述するのは古典モデルで十分だが、いくつかの量子力学的な概念が必要である。量子力学的な系の基底状態は、系の基底状態と呼ばれる。一次元の量子波の波動関数は、正弦波の波動関数の半分である。システムが絶対零度になったとき、そのシステムは基底状態を獲得したと言われる。

励起状態

また、原子をはじめとする系の励起状態は、系の構造にも依存する。これを理解するために、原子の構造をもう少し詳しく見てみましょう。原子は、原子核とその周りを回る電子から構成されています。原子核までの距離は、電子の角速度に依存する。角速度は、電子のエネルギーに依存する。この系を量子力学的に解釈すると、電子はどのような値でも単独でエネルギーとしてとらえることはできないことがわかる。電子のエネルギーは不連続である。したがって、電子は原子核からどのような距離にも存在することはできない。電子がいる距離関数も離散的である。電子のエネルギーを与えると、光子のエネルギーはちょうど現在の系のエネルギーと、系が得られる高いエネルギーとのエネルギー差となり、電子は光子を吸収することになる。電子はより高いエネルギー状態へ移動する。基底状態のエネルギー以上のエネルギー準位は、励起エネルギー準位と呼ばれる。このようなエネルギー準位で活動する電子は、励起電子と呼ばれる。前述したように、電子の励起状態は任意の値をとることができない。ある量子力学的な値をとるしかないのです。