In fisica, si dice che un sistema è in uno stato eccitato se si trova a un livello di energia superiore al suo livello di energia di base, o stato fondamentale. Il “sistema” può essere un atomo, una molecola, uno ione o un’altra particella. Quando il sistema assorbe energia, passa a uno stato eccitato e quando emette energia ritorna allo stato fondamentale. Gli elettroni in un atomo, ad esempio, esistono nel loro stato fondamentale finché non assorbono energia che li fa saltare a un orbitale di energia più alta. Quando ciò si verifica, si direbbe che l’elettrone è in uno stato eccitato.
Gli elettroni, come particelle caricate negativamente, sono trattenuti dai protoni caricati positivamente nel nucleo di un atomo attraverso la forza elettromagnetica. Circondano il nucleo in un certo numero di orbitali atomici, ognuno dei quali corrisponde a un discreto livello di energia. Ogni orbita attorno al nucleo atomico, concettualizzato come un guscio di elettroni, può contenere solo un certo numero di elettroni. I livelli di energia più bassi tendono ad essere riempiti per primi. Quando un dato guscio viene riempito, inizierà a popolarsi uno stato energetico più elevato.
È possibile che un elettrone salti a un livello di energia superiore prima che tale livello venga popolato, ma ciò richiede energia dall’esterno del sistema. Questa energia può presentarsi sotto forma di fotone, l’unità di base della luce e di altre radiazioni elettromagnetiche. Quando un fotone colpisce l’atomo, l’energia spinge l’elettrone a un livello energetico superiore.
Un elettrone richiede più energia per saltare dal primo livello energetico al secondo che dal secondo al terzo. Questo perché la forza attrattiva del campo elettrico del nucleo è più forte vicino al nucleo e diminuisce con la distanza. Gli elettroni ai margini del campo elettrico, lontano dal nucleo, possono essere eccitati fino al punto di liberarsi completamente dall’atomo. Quando ciò accade, l’atomo perde quell’unità di carica negativa e diventa ionizzato – in altre parole, non è più caricato in modo neutro, ma diventa invece uno ione con carica positiva.
Lo stato eccitato è spesso breve. Dopo essere passato a un livello di energia più elevato, un elettrone di solito emette un fotone o un fonone, un’unità di luce o calore, per tornare al suo stato fondamentale. Ciò può avvenire naturalmente, per emissione spontanea, o artificialmente, per emissione stimolata. In rari casi, lo stato eccitato si conserva più a lungo in un atomo, modificandone le proprietà chimiche.
Molti dispositivi che producono luce sono progettati per eccitare gli elettroni per generare fotoni attraverso l’emissione spontanea o stimolata. I laser, per esempio, funzionano attraverso l’emissione stimolata. I tubi fluorescenti e i tubi a raggi catodici utilizzano l’emissione spontanea per produrre luce.