Ридберговские атомы

Ри́дберговские а́томы (названы в честь Й.Р. Ридберга) — атомы, в которых один их 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

W_n = {Ry \over 2(n-\delta)^2},

где Ry = 27.2 эВ есть постоянная Ридберга, а δ дефект заряда ядра, который при больших n несуществен. Разница энергий между n-ым и n+1-ым уровнями энергии примерно равна

\Delta W \equiv W_n - W_{n+1} \approx {Ry \over n^3}.

Характерный размер атома rn и типичный квазиклассический период обращения электрона равны

r_n \approx a_B n^2, \quad T_n \approx T_1 n^3,

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.
  • www.ibmh.msk.su/vivovoco/VV/JOURNAL/NATURE/01_01/RIDBERG.HTM «Конденсированное ридберговское вещество», Э.А. Маныкин, М.И. Ожован, П.П. Полуэктов, статья из журнала «Природа» N1, 2001.
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home