Ри́дберговские а́томы (названы в честь Й.Р. Ридберга) — атомы, в которых один из электронов внешней оболочки находится в высоковозбужденном состоянии. Обычно, это атомы щёлочной группы элементов (литий, натрий, рубидий и т. д.), у которых рыхлая внешняя электронная оболочка как раз и состоит из одного электрона. Воздействуя на такой атом лазерным светом определенной длины волны, удается возбуждать внешний электрон в состояния с главным квантовым числом n вплоть до n ~ 1000.
Свойства ридберговских атомов[]
Основные свойства ридберговских атомов можно увидеть уже из простого квазиклассического описания. Энергия связи такого водородоподобного атома равна
где Ry = 13.6 эВ есть Ридберг, а δ дефект заряда ядра, который при больших n несуществен. Разница энергий между n-м и n+1-м уровнями энергии примерно равна
Характерный размер атома rn и типичный квазиклассический период обращения электрона равны
где aB = 0.5·10-10 м — боровский радиус, а T1 ~ 10-16 с.
Теперь сравним некоторые числа для основного состояния и для ридберговского состояния атома.
| Основное состояние | Ридберговское состояние с n = 1000 | |
|---|---|---|
| Энергия связи | ~ 1 эВ | ~ 10−6 эВ |
| Длина волны излученного кванта при переходе n → n−1 | ~ 1 мкм (видимый или ближний ИК диапазон) | ~ 1 км (радиодиапазон, длинные волны) |
| Размер атома | ~ 1 ангстрем | ~ 0.1 мм |
| Время жизни | ~ 10−8 с | ~ 1 с |
Направления исследования и возможные применения[]
Исследования, связанные с ридберговскими состояниями атомов можно условно разбить на две группы: изучение самих атомов и использование их свойств для прочих целей.
Фундаментальные направления исследования:
- Выяснить, как квантовое описание атома переходит в квазиклассическое при больших n: ведь атом размером с толщину человеческого волоса — это уже почти макроскопический размер!
- Из нескольких состояний с большими n можно составить волновой пакет, который будет более-менее локализован в пространстве. Если при этом большим будет и орбитальное квантовое число, то мы получим почти классическую картинку: локализованное электронное облако вращается вокруг ядра на большом расстоянии от него.
- Если орбитальный момент мал, то движение такого волнового пакета будет квази-одномерным: электронное облако будет удаляться от ядра и снова приближаться к нему. Это аналог сильно вытянутой эллиптической орбиты в классической механике при движении вокруг Солнца.
- Поведение ридберговского электрона во внешних электрических и магнитных полях. Обычные электроны, находящиеся близко к ядру, в основном чувствуют сильное электростатическое поле ядра (порядка 109 В/см), а внешние поля для них играют роль лишь мелких добавок. Ридберговский электрон чувствует сильно ослабленное поле ядра (E ~ E0/n4), и потому внешние поля могут кардинально исказить движение электрона.
- Интересными свойствами обладают атомы с двумя ридберговскими электронами, причем один электрон «крутится» вокруг ядра на большем расстоянии, чем другой. Такие атомы называются планетарными.
Необычные свойства ридберговских атомов уже находят свои применения
- Квантовые детекторы радиоизлучения: ридберговские атомы могут зарегистрировать даже единичный фотон в радиодиапазоне, что далеко за пределами возможностей обычных антенн.
- Ступенчатый спектр энергий ридберговского электрона служит «энергетическим разновесом», который можно использовать при аккуратном измерении энергий.
- Ридберговские атомы наблюдаются также и в межзвездной среде. Они являются очень чувствительными датчиками давления, созданным для нас самой Природой.
Ссылки[]
- «Ридберговские атомы», Н.Б.Делоне, популярная статья из Соросовского Образовательного Журнала.
- «Конденсированное ридберговское вещество», Э.А. Маныкин, М.И. Ожован, П.П. Полуэктов, статья из журнала «Природа» N1, 2001.
Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Ридберговские атомы. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .