들뜬 상태
들뜬 상태(-狀態, 영어: excited state) 또는 여기 상태(勵起狀態)는 원자, 분자, 원자핵 등 양자계가 바닥 상태보다 높은 에너지를 가진 양자 상태를 말한다. 계가 외부에서 에너지를 받아 가능한 최저 에너지 상태를 벗어났을 때 들뜬 상태가 된다. 들뜸은 빛의 흡수, 입자 충돌, 전기장이나 자기장과의 상호작용 등으로 일어날 수 있다.[1]
생성과 이완
[편집]원자에서 전자는 정해진 에너지의 원자 궤도를 차지한다. 적절한 에너지의 광자를 흡수하거나 충돌로 에너지를 전달받으면 전자는 더 높은 에너지의 상태로 전이할 수 있다. 공급된 에너지가 전자를 원자에서 완전히 떼어 내는 데 필요한 이온화 에너지보다 작으면 보통 들뜬 상태가 형성되고, 그 이상이면 이온화가 일어날 수 있다.[1]
대부분의 들뜬 상태는 유한한 수명을 가지며, 계는 더 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 에너지를 방출한다. 이 과정을 탈여기 또는 이완이라 한다. 방출되는 에너지는 광자·포논·열 또는 다른 입자와의 충돌로 전달될 수 있다. 광자가 저절로 방출되는 자발 방출과 입사 전자기장에 의해 방출이 유도되는 자극 방출은 대표적인 복사 이완 과정이다.[2]
원자와 분자의 들뜸
[편집]수소 원자의 바닥상태에서는 전자가 가장 낮은 에너지의 궤도를 차지한다. 전자가 더 높은 양자수의 상태로 전이하면 원자는 들뜬 상태가 된다. 들뜬 상태에서 바닥상태 또는 다른 낮은 상태로 전이할 때의 에너지 차이는 방출·흡수 스펙트럼선의 파장과 연결된다. 따라서 원자와 분자의 스펙트럼을 측정하면 전자 상태와 에너지 준위를 조사할 수 있다.[1]
원자나 분자는 연속적인 외부 섭동을 받으면 상태의 혼합, 에너지 준위의 이동, 선폭의 변화가 나타날 수 있다. 기체에서의 충돌은 들뜬 상태의 수명을 짧게 하거나, 충돌 상대에게 에너지를 넘기는 비복사 이완을 일으킬 수 있다. 이러한 과정은 방전, 플라스마, 대기 및 분광 실험에서 관측되는 방출선의 세기와 모양에 영향을 준다.
준안정 상태
[편집]특정 전이는 선택 규칙 때문에 강하게 억제되어, 들뜬 상태가 보통보다 오래 지속될 수 있다. 이러한 상태를 준안정 상태라 한다. 원자·분자의 준안정 상태는 기체 방전과 레이저 매질에서 중요하며, 원자핵의 긴 수명 들뜬 상태는 이성질핵이라 부른다. 긴 수명의 들뜬 상태의 예로는 이성질핵과 일중항 산소가 있다. 준안정 상태도 영구적인 상태는 아니며, 충돌이나 약한 전이 경로를 통해 결국 더 낮은 에너지 상태로 이완한다.
들뜬 상태 흡수
[편집]이미 들뜬 상태에 있는 원자나 분자가 다시 광자를 흡수하여 더 높은 들뜬 상태로 전이하는 현상을 들뜬 상태 흡수라고 한다. 이는 바닥상태에서의 흡수와 구별되며, 펌프-프로브 분광법이나 시간 분해 분광법으로 조사할 수 있다. 들뜬 상태 흡수는 일부 레이저와 상향 변환 과정에서는 유용하지만, 빛을 증폭하려는 매질에서는 손실 경로가 될 수 있다.[3]
이론적 계산
[편집]양자화학과 원자물리학에서는 들뜬 상태의 에너지와 전이 확률을 계산하기 위해 배치 상호작용, 다중배치 자기일관장 방법, 시간 의존 밀도범함수 이론 등 여러 근사 방법을 사용한다.[4] 필요한 정확도와 계의 크기에 따라 적절한 방법이 달라지며, 여러 전자가 강하게 상관된 계에서는 계산이 특히 복잡해진다.
같이 보기
[편집]각주
[편집]- 1 2 3 Demtröder, W. (2006). 《Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic-, Molecular-, and Quantum-Physics》. Springer. ISBN 978-3-540-32346-4.
- ↑ Sakho, Ibrahima (2021). 《Nuclear Physics 1: Nuclear Deexcitations, Spontaneous Nuclear Reactions》. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-83936-1.
- ↑ “Excited-state Absorption”. 《RP Photonics Encyclopedia》. 2026년 8월 23일에 확인함.
- ↑ Dreuw, Andreas; Head-Gordon, Martin (2005). “Single-Reference ab Initio Methods for the Calculation of Excited States of Large Molecules”. 《Chemical Reviews》 105 (11): 4009–4037. doi:10.1021/cr0505627. PMID 16277369.
