Spanningstoestanden

Spanningstoestanden, in het Nederlands vaak elektronische spanningstoestanden genoemd, zijn de energie-eigenstaten van een quantummechanisch systeem met hogere energie dan de grondtoestand. Bij atomen en moleculen worden ze beschreven als de oplossingen van de Hamiltoniaan met energieën E_i, waarbij E_0 de grondstaat is. Deze toestanden vormen de hoger gelegen niveaus waarmee elektronen kunnen worden geexciteerd door absorptie van straling of door collisies.

In moleculen komen spanningstoestanden meestal als elektronische toestanden voor, vaak aangeduid met S- en T-reeksen (bijv. S1, T1). Een belangrijk onderscheid is tussen singlet- en triplettoestanden, dat samenhangt met de spin van de elektronen. Overgangen tussen spanningstoestanden vereisen elektromagnetische interactie en zijn onderhevig aan selectie regels; meestal gelden ΔS = 0 (spinbehoud) voor_allowed elektrisch dipoolovergangen, terwijl overgangen tussen singlet en triplet spin-forbidden zijn maar kunnen plaatsvinden via spin-orbit coupling. Radiatieve routes zoals fluorescence (S1 → S0) en phosphorescentie (T1 → S0) komen vaak voor naast niet-radiatieve processen.

Toegang tot en bestudering van spanningstoestanden gebeuren via spectroscopie: UV-Vis-absorptieverlopen geven info over verticale excitaties van de grondtoestand naar hogere toestanden; emissie-experimenten meten de luminescentie van S1 of T1. De dynamiek omvat radiatieve processen met karakteristieke lifetimes (nanoseconden voor fluorescence, milliseconden of langer voor phosphorescentie) en niet-radiatieve routes zoals interne omzetting en intersystem crossing. Theoretisch worden spanningstoestanden beschreven met quantumchemische methoden en potentiaaloppervlakken; concepten als verticale excitaties en Franck–Condon-animaties zijn hierbij sleutelbegrippen.

Spanningstoestanden zijn cruciaal voor fotochemie, lichtemissie, zonne-energieconversie en biologische processen zoals fotosynthese.