
基态(ground state)是量子力学系统中的能量最低稳定状态。根据《牛津物理学词典》的定义,基态指原子、分子或原子核在没有外界能量输入时,电子处于可能的最低能级轨道的量子态。在化学领域,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)将其描述为物质在绝对零度时的基准能量状态,此时体系的所有组分都处于最低振动能级和电子能级。
该概念在三个主要领域具有关键意义:
基态特性包括:
参考资料:
《牛津物理学词典》第七版 量子力学章节
IUPAC金皮书化学术语数据库
“基态”是量子力学和原子物理学中的核心概念,指一个物理系统(如原子、分子或粒子)处于最低能量时的稳定状态。以下是详细解释:
最低能量状态
基态是系统在没有外界能量输入时自然趋向的状态,此时能量达到最小值。例如,氢原子中的电子在未被激发时,处于最靠近原子核的能级(即第一能级),这就是基态。
稳定性
基态的系统具有最高的稳定性,因为要改变其状态需要外界提供能量。若系统吸收能量跃迁到更高能级,则称为“激发态”。
原子中的电子
以氢原子为例,基态电子位于能量最低的1s轨道,其波函数分布和能量可通过薛定谔方程精确计算,能量公式为:
$$
E_n = -frac{13.6}{n} , text{eV}
$$
其中 ( n=1 ) 时即为基态能量(约-13.6 eV)。
宏观类比
类似弹簧静止时的状态:未被拉伸或压缩时弹性势能最小,相当于“基态”;若被外力拉长或压缩,则对应“激发态”。
量子技术
量子计算机依赖量子比特的基态和激发态叠加实现计算,激光技术则通过粒子数反转(激发态粒子多于基态)产生相干光。
化学与材料科学
分子基态决定其化学性质,材料的光电特性(如半导体能带)也与基态电子排布密切相关。
特性 | 基态 | 激发态 |
---|---|---|
能量 | 最低 | 更高 |
稳定性 | 最稳定 | 不稳定,易释放能量 |
存在条件 | 自然状态 | 需外界能量输入 |
通过理解基态,可以深入分析物质的基本性质及量子行为,为现代科技提供理论基础。
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