Ergastatud olek

Ergastatud olek on süsteemi seisund, milles tal on energiat rohkem kui põhiolekus (olekus, kus süsteemil on vähim võimalik energia). Ergastatud olekus süsteemist saab energiat "ära võtta" ilma süsteemi lõhkumata või muutmata. Kui me vaatleme süsteemina näiteks mingit osakeste gruppi, siis tema ergastatud oleku taseme määrab ära selle grupi temperatuur. Kui osakeste grupi temperatuur on suurem absoluutsest nullist, siis on tegemist ergastatud seisundiga. Kvantmehaanikas loetakse süsteemi (näiteks aatomi, molekuli või aatomituuma) ergastatud olekuks iga kvantolekut, millel on rohkem energiat kui sama süsteemi põhiolekus. Ergastatud kvantolekuid võib süsteemil olla rohkem kui üks. Mida suurem on ergastatud süsteemi energia, seda "kõrgemal" tasemel on tema ergastatud olek. Tavaliselt on ergastatud olek väga lühiajaline. Ergastatud süsteem kiirgab üleliigse energia ära energiakvandina (näiteks footoni või foononina) ja laskub madalamale energiatasemele. Kui uus energiatase ei ole süsteemi põhiolek, siis võib sama protseduur korduda. Süsteemi ergastamine toimub tavaliselt energiakvandi neeldumise teel. Pärast kvandi neelamist läheb süsteem ergastatud olekusse. Lihtne näide ergastatud olekust on vesiniku aatomi ergastamine. Oma põhiolekus on vesiniku aatomis üks elektron madalaimal võimalikul orbiidil (sfääriliselt sümmeetrilisel "1s" orbitaalil, millele vastavad madalaimad võimalikud kvantarvud). Kui elektron neelab footoni, siis saab ta energiat juurde ja tõuseb mõnele kõrgemale orbitaalile (mille üks või mitu kvantarvu on suuremad minimaalsetest). See tähendab, et aatom on nüüd ergastatud olekus. Kui neelatud footoni energia ületab elektroni seoseenergia, siis muutub elektron vabaks elektroniks ja vesiniku aatom ioniseerub. Ergastatud olekus aatom võib naasta oma põhiolekusse, kiirates footoni, mille energia vastab ergastatud oleku ja põhioleku energiate vahele. Erineval ergastatuse tasemel olevate aatomite poolt kiiratud footonid moodustavad joonspektri, mis on iseloomulik just ja ainult sellele konkreetsele keemilisele elemendile või ainele. Sellel nähtusel põhineb ainete äratundmine spektrograafia abil. Nähtuse põhjus tugineb ühele kvantfüüsika põhiseisukohale, et elementaarosakeste energeetilised olekud ei saa pidevalt, sujuvalt muutuda, vaid on diskreetsed (n-ö astmelised) suurused, Plancki konstandi kordsed. Sellest tingituna on igal keemilisel elemendil elektronide orbitaalide võimalikud energiatasemed ainult kindlate suurustega. Seega saab vastava energiaga footon neelduda aatomis, mille elektronide võimalik kõrgema energiaga orbitaal on just täpselt selle (neelduva) footoni energia võrra suurem põhiolekus elektroni energiast. Nii tekivad iga keemilise elemendi aatomi puhul ainult sellele elemendile omased kiirgumis- ja neeldumisjooned (spektrijooned). Lisaks footoni neelamisele võib aatom ergastumiseks vajaliku energia saada ka muudest allikatest – näiteks soojusliikumisest. Tuuma minek ergastatud olekusse toimub üsna sarnaselt aatomi ergastumisega – üks või mitu nukleoni liiguvad kõrgema energiatasemega tuumaorbitaalidele. Tavaliselt toimub see tuumalagunemise või lõhustumise tagajärjel, kus osa lagunemise energiast jääb tuuma ergastatud olekuna tuuma sisse. Põhiolekusse naaseb tuum gammakvandi kiirgamise teel tekitades niimoodi gammakiirgust. Aatomite ergastamine ja ionisatsioon elektriväljas