
基态(ground state)是量子力學系統中的能量最低穩定狀态。根據《牛津物理學詞典》的定義,基态指原子、分子或原子核在沒有外界能量輸入時,電子處于可能的最低能級軌道的量子态。在化學領域,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)将其描述為物質在絕對零度時的基準能量狀态,此時體系的所有組分都處于最低振動能級和電子能級。
該概念在三個主要領域具有關鍵意義:
基态特性包括:
參考資料:
《牛津物理學詞典》第七版 量子力學章節
IUPAC金皮書化學術語數據庫
“基态”是量子力學和原子物理學中的核心概念,指一個物理系統(如原子、分子或粒子)處于最低能量時的穩定狀态。以下是詳細解釋:
最低能量狀态
基态是系統在沒有外界能量輸入時自然趨向的狀态,此時能量達到最小值。例如,氫原子中的電子在未被激發時,處于最靠近原子核的能級(即第一能級),這就是基态。
穩定性
基态的系統具有最高的穩定性,因為要改變其狀态需要外界提供能量。若系統吸收能量躍遷到更高能級,則稱為“激發态”。
原子中的電子
以氫原子為例,基态電子位于能量最低的1s軌道,其波函數分布和能量可通過薛定谔方程精确計算,能量公式為:
$$
E_n = -frac{13.6}{n} , text{eV}
$$
其中 ( n=1 ) 時即為基态能量(約-13.6 eV)。
宏觀類比
類似彈簧靜止時的狀态:未被拉伸或壓縮時彈性勢能最小,相當于“基态”;若被外力拉長或壓縮,則對應“激發态”。
量子技術
量子計算機依賴量子比特的基态和激發态疊加實現計算,激光技術則通過粒子數反轉(激發态粒子多于基态)産生相幹光。
化學與材料科學
分子基态決定其化學性質,材料的光電特性(如半導體能帶)也與基态電子排布密切相關。
特性 | 基态 | 激發态 |
---|---|---|
能量 | 最低 | 更高 |
穩定性 | 最穩定 | 不穩定,易釋放能量 |
存在條件 | 自然狀态 | 需外界能量輸入 |
通過理解基态,可以深入分析物質的基本性質及量子行為,為現代科技提供理論基礎。
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