En physique, un système est dit dans un état excité s’il est à un niveau d’énergie supérieur à son niveau d’énergie de base, ou état fondamental. Le système peut être un atome, une molécule, un ion ou une autre particule. Lorsque le système absorbe de l’énergie, il passe à un état excité et lorsqu’il émet de l’énergie, il revient à un état fondamental. Les électrons d’un atome, par exemple, existent à leur état fondamental jusqu’à ce qu’ils absorbent de l’énergie qui les amène à passer à une orbitale d’énergie plus élevée. Lorsque cela se produit, l’électron serait alors dit être dans un état excité.
Les électrons, en tant que particules chargées négativement, sont liés aux protons chargés positivement dans le noyau d’un atome par la force électromagnétique. Ils entourent le noyau d’un certain nombre d’orbitales atomiques, chacune correspondant à un niveau d’énergie discret. Chaque orbite autour du noyau atomique, conceptualisée comme une couche électronique, ne peut contenir qu’un certain nombre d’électrons. Les niveaux d’énergie les plus bas ont tendance à être remplis en premier. Lorsqu’une coquille donnée est remplie, un état d’énergie plus élevée commencera à être peuplé.
Il est possible qu’un électron saute à un niveau d’énergie plus élevé avant que ce niveau ne soit peuplé, mais cela nécessite de l’énergie provenant de l’extérieur du système. Cette énergie peut se présenter sous la forme d’un photon, l’unité de base de la lumière et d’autres rayonnements électromagnétiques. Lorsqu’un photon frappe l’atome, l’énergie propulse l’électron à un niveau d’énergie plus élevé.
Un électron a besoin de plus d’énergie pour passer du premier niveau d’énergie au deuxième que du deuxième au troisième. En effet, la force d’attraction du champ électrique du noyau est la plus forte près du noyau et diminue avec la distance. Les électrons à la frange même du champ électrique, loin du noyau, peuvent être excités au point de se libérer entièrement de l’atome. Lorsque cela se produit, l’atome perd cette unité de charge négative et devient ionisé – en d’autres termes, il n’est plus chargé de manière neutre, mais devient plutôt un ion chargé positivement.
L’état excité est souvent bref. Après être passé à un niveau d’énergie plus élevé, un électron émet généralement un photon ou un phonon – une unité de lumière ou de chaleur – pour revenir à son état fondamental. Cela peut se produire naturellement, par émission spontanée, ou artificiellement, par émission stimulée. Dans de rares cas, l’état excité est conservé plus longtemps dans un atome, modifiant ses propriétés chimiques.
De nombreux dispositifs produisant de la lumière sont conçus pour exciter les électrons afin de générer des photons par émission spontanée ou stimulée. Les lasers, par exemple, fonctionnent grâce à l’émission stimulée. Les tubes fluorescents et les tubes à rayons cathodiques utilisent l’émission spontanée pour produire de la lumière.