Exzitation, auch Anregung genannt, bezeichnet in der Physik und Chemie den Übergang eines Systems – sei es ein Atom, ein Molekül, ein Atomkern oder ein Elektron – von einem niedrigeren, energieärmeren Zustand, dem sogenannten Grundzustand, in einen höheren, energiereicheren Zustand, den angeregten Zustand. Dieser Prozess erfordert stets die Zufuhr von Energie, die in verschiedenen Formen erfolgen kann, beispielsweise als elektromagnetische Strahlung (Photonen), kinetische Energie durch Teilchenstöße (Elektronen, Ionen), Wärmeenergie oder chemische Energie. Die Exzitation ist ein fundamentales quantenmechanisches Phänomen, da die Energieübergänge diskret sind, das heißt, das System kann nur ganz bestimmte Energiemengen aufnehmen, die den Differenzen zwischen den Energieniveaus entsprechen.

Im Bereich der atomaren Exzitation sind es typischerweise die Elektronen, die um den Atomkern kreisen und diskrete Energieniveaus besetzen. Wenn ein Atom ein Photon absorbiert, dessen Energie exakt der Energiedifferenz zwischen einem besetzten und einem unbesetzten Energieniveau entspricht, springt das Elektron auf das höhere Niveau. Nach der Exzitation befindet sich das Elektron in einem instabilen Zustand und strebt danach, in den Grundzustand zurückzukehren. Dies geschieht in der Regel durch die Emission eines Photons (Fluoreszenz oder Phosphoreszenz) oder durch nicht-strahlende Prozesse, bei denen die Energie in Wärme umgewandelt wird. Die spezifischen Energiewerte, die für eine Exzitation notwendig sind, sind charakteristisch für jedes Element und werden in der Spektroskopie zur Identifizierung von Substanzen genutzt.

Bei Molekülen ist die Exzitation komplexer, da zusätzlich zu den elektronischen Energieniveaus auch Schwingungs- und Rotationsenergieniveaus existieren. Die Absorption von UV- oder sichtbarem Licht führt typischerweise zu elektronischen Anregungen, während Infrarotstrahlung Schwingungsanregungen und Mikrowellenstrahlung Rotationsanregungen hervorruft. Jede dieser Anregungsarten ist mit spezifischen Energiequanten verbunden und wird in verschiedenen spektroskopischen Methoden wie der UV/Vis-Spektroskopie, der Infrarotspektroskopie oder der Ramanspektroskopie zur Analyse molekularer Strukturen und Eigenschaften eingesetzt. Die angeregten Moleküle können ebenfalls Energie durch Strahlung oder nicht-strahlende Prozesse abgeben.

Auch Atomkerne können angeregt werden, allerdings erfordert dies aufgrund der starken Kernkräfte wesentlich höhere Energien, typischerweise im Bereich von Megaelektronenvolt (MeV). Die Exzitation von Kernen kann durch den Beschuss mit energiereichen Teilchen wie Neutronen, Protonen oder Gammastrahlen erfolgen. Ein angeregter Atomkern befindet sich in einem metastabilen Zustand, einem sogenannten Kernisomer, und zerfällt anschließend in der Regel unter Emission von Gammastrahlung in einen stabileren Zustand. Diese Prozesse sind von Bedeutung in der Kernphysik, der medizinischen Bildgebung (z.B. Positronen-Emissions-Tomographie) und in der Entwicklung von Kernenergie.

Die Mechanismen der Exzitation sind vielfältig. Neben der bereits erwähnten Photoanregung durch Lichtabsorption ist die Stoßanregung, bei der kinetische Energie durch Kollisionen mit anderen Teilchen übertragen wird, von großer Bedeutung. Dies ist beispielsweise in Gasentladungslampen der Fall, wo Elektronen durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden und beim Aufprall auf Gasatome diese in angeregte Zustände versetzen, was zur Lichterzeugung führt. Thermische Exzitation tritt bei hohen Temperaturen auf, wenn die thermische Energie der Teilchen ausreicht, um diese in höhere Energiezustände zu versetzen. Chemische Exzitationen finden statt, wenn die bei einer chemischen Reaktion freigesetzte Energie direkt zur Anregung von Atomen oder Molekülen genutzt wird, wie dies bei der Chemilumineszenz der Fall ist.

Die Fähigkeit von Systemen, Energie aufzunehmen und in angeregte Zustände überzugehen, ist von fundamentaler Bedeutung für zahlreiche natürliche Phänomene und technologische Anwendungen. Sie ist die Grundlage für die Funktion von Lasern, bei denen durch gezielte Exzitation eine Besetzungsinversion erzeugt wird, die zur stimulierten Emission führt. Leuchtdioden (LEDs) und Fluoreszenzlampen nutzen ebenfalls Exzitationsprozesse zur Lichterzeugung. In der Biologie ist die Exzitation von Chlorophyllmolekülen durch Sonnenlicht der erste Schritt der Photosynthese, einem der wichtigsten biologischen Prozesse auf der Erde. Auch in der Medizin spielen Exzitationsprozesse eine Rolle, beispielsweise bei der Magnetresonanztomographie (MRT), wo Atomkerne durch Hochfrequenzpulse angeregt werden.

Nach der Exzitation kehrt das System in der Regel in seinen Grundzustand zurück, wobei die aufgenommene Energie wieder abgegeben wird. Dies kann durch strahlende Prozesse geschehen, bei denen Photonen emittiert werden (Fluoreszenz, Phosphoreszenz, stimulierte Emission), oder durch nicht-strahlende Prozesse, bei denen die Energie in Wärme umgewandelt wird (z.B. durch Kollisionen oder innere Umwandlung). Die Lebensdauer eines angeregten Zustands – die Zeit, die ein System im angeregten Zustand verweilt, bevor es in den Grundzustand zurückkehrt – variiert stark und ist entscheidend für die Anwendung, beispielsweise für die Effizienz von Leuchtstoffen oder die Dauer von Laserpulsen. Das Verständnis und die Kontrolle von Exzitations- und Deexzitationsprozessen sind daher essenziell für Fortschritte in vielen wissenschaftlichen und technischen Disziplinen.