Exotickou molekulu, o jejíž existenci se dosud vedly pouze teoretické spory, se nakonec podařilo získat mezinárodnímu týmu vědců pod vedením Very Bendkowsky z univerzity ve Stuttgartu (Universität Stuttgart). Otevřením je nová posila kvantová teorie popisující chování elektronů v normální podmínky.

Nová molekula byla „vyrobena“ ze dvou atomů rubidia, z nichž jeden byl obyčejný atom a druhý Rydbergův atom. To znamená, že jeden z elektronů v jeho vnějším obalu byl ve vysoce excitovaném stavu.

Samotné Rydbergovy atomy jsou neobvyklé objekty. Získávají se, když je elektronový obal vystaven laserovému paprsku o určité vlnové délce. Jednoduše řečeno, jeden z elektronů Rydbergova atomu se vzdálí od jádra na mnohem, mnohem větší vzdálenost než elektrony v jakémkoli jiném atomu, ale je s ním nadále spojen.

Chris Greene, teoretický fyzik na University of Colorado, a řada jeho kolegů již v 70. letech předpověděli, že Rydberg a normální atomy mohou interagovat za vzniku molekul. Ale protože elektron poskytující tuto interakci je extrémně vzdálený od svého mateřského atomu, výsledkem je chemická vazba- je neobvykle slabá, takže za normálních podmínek Rydbergova molekula prostě nemůže existovat.

V roce 2000 skupina výzkumníků, včetně Chrise Greena, vypočítala konfiguraci dvouatomové molekuly Rydberg rubidium a nazvala ji trilobitem kvůli podobnosti grafického znázornění jejího vnějšího elektronového obalu s prastarým tvorem. Obrázek vlevo ukazuje tento prostorový graf, který odráží pravděpodobnost nalezení vnějšího valenčního elektronu v konkrétním bodě prostoru, a vpravo vidíte samotného trilobita (ilustrace Greene, Dickinson, Sadeghpour, foto z Colorada. edu).

Trvalo mnoho let, než se podařilo zdokonalit techniku ​​chlazení atomů na teplotu blízkou absolutní nule, abychom mohli konečně vytvořit tak exotickou molekulu.

Přesně to udělala Bendkowski a její kolegové. Vera vysvětluje: „Jádra atomů musí být od sebe ve správné vzdálenosti, aby se elektronická pole navzájem „našla“ a začala interagovat. Použili jsme ultrachladný oblak rubidia, ve kterém se s klesající teplotou atomy plynu přibližovaly a přibližovaly.

Pomocí laseru vědci převedli některé z těchto atomů do Rydbergova stavu. Při teplotě velmi blízké nule byla tato „kritická vzdálenost“ asi 100 nanometrů.

Tato vzdálenost mezi dvěma atomy tvořícími molekulu je přibližně 1000krát větší než obvykle (desítky a stovky pikometrů). Není divu, že i s absolutní nula Rydbergovy molekuly jsou velmi nestabilní. Nejdelší životnost získaná v experimentu trvala 18 mikrosekund.

Už v roce 1934 velký Fermi předpověděl, že pokud se jeden atom setká s „putujícím“ elektronem, bude s ním moci interagovat. Ale Fermi nezašel tak daleko, aby vytvořil molekulu s tímto druhem superslabé vazby, vysvětluje Green.

Podrobnosti o zkušenostech najdete v

Rydberg uvádí- stavy atomů, iontů a molekul s velkými hodnotami principu n(vysoce vzrušené stavy). Pojmenován na počest J. R. Rydberga, který nejprve experimentálně studoval atomová spektra blízko hranic.

R. s. atomy a ionty se vyznačují extrémně malou (atomovou stupnicí) ionizací. potenciály, dlouhé životnosti (protože pravděpodobnost radiačních kvantových přechodů z nich je malá) a velké poloměry drah vysoce excitovaného (Rydbergova) elektronu. R. s. jsou podobné stavům atomu vodíku. Přechody mezi sousedními R. s. jsou v dosahu rádia. Velká důležitost P umožňuje aplikovat na R. popis stránky. poloklasický přiblížení a používat pro ně pojmy klasické. mechanika. Velké rozměry drah a nízké vazebné energie Rydbertova elektronu určují vysokou citlivost R.s. na účinky elektřiny. a magn. pole a velké ef. průřez interakcí atomů v R. s. s nabitými částicemi.

V tabulce. 1 ukazuje hodnoty hlavního. charakteristiky atomů a atomových iontů umístěných v R. s.

Tab. 1.

Systematický R. studuje s. bylo možné od začátku. 70. léta 20. století díky úspěchu laserová spektroskopie, což umožnilo prozkoumat v laboratoři. R. podmínky s. s ha ~ 300, stejně jako radioastronomie, protože absorpční čáry byly nalezeny v mezihvězdných oblacích mezi R. s. od ha 700.

Vlnové funkce a energie Rydbergových stavů atomů. vlnové funkce R. s. s dobrou přesností lze reprezentovat jako součin vlnových funkcí Rydbergova elektronu a zbývajícího atomového systému - atomového zbytku. Vlastnosti atomu v R. s. jsou převážně určeny vlnovou funkcí vysoce excitovaného elektronu, což je vlastní číslo. funkce:

kde je operátor hybnosti, U(r) je potenciální energie interakce Rydbergova elektronu s atomovým jádrem. Na vzdálenosti r elektron z atomové jádro mnoho velkých velikostí atomového zbytku, U(r) se transformuje na Coulombův potenciál: U(r) = Ze2/r.

Společnost Energy R. s. izolované atomy, počítané od hranice ionizace, jsou určeny Rydbergovým vzorcem:

Kde M- hmotnost atomového zbytku, - kvantová vada, slabě závislý na n a pro orbitální kvantové číslo l> 2 velmi rychle klesá s růstem l. Hodnoty pro S-, P- A D-stavy atomů alkalických kovů jsou uvedeny v tabulce. 2.

Tab. 2.

Pravděpodobnosti budou vyzařovat. kvantové přechody atomu na R. s. rychle klesat s růstem P A l. Pro zateplené atom v R. s. s daty ha a lživot . Je-li rozložení atomů přes l termodynamická rovnováha [~(2l + 1)], pak pravděpodobnost vyslání. přechody mezi R. s. S n A n" určeno Kramersovým vzorcem (s chybou menší než 20 %):

kde jsou energie hladin počítané od hranice ionizace. St pravděpodobnost přechodu z dané úrovně na všechny ostatní energetické úrovně je převrácená srov. životnost systému na této úrovni.

Rydberg uvádí v elektrickém poli zásadně nestacionární – atom je ionizován polem. U slabých polí je však pravděpodobnost autoionizace ( ionizace pole) je exponenciálně malý a R. s. lze považovat za kvazistacionární. V elektrickém pole, vysoce excitované energetické hladiny prožívají Starkovo štěpení a posun (viz obr. Ostrý efekt), jejich vlnové funkce jsou správné. funkce hamiltoniána:

Kde H0 je hamiltonián (1) atomu v nepřítomnosti pole. Pokud je potenciální energie U(r) má coulombskou povahu (tj. H 0 je hamiltonián iontu podobného vodíku), pak se Schrödingerova rovnice odpovídající hamiltoniánu (4) dělí na parabolickou. souřadnice. Projekce magnetické moment na směr pole je stále integrálem pohybu. Až do druhého řádu poruchové teorie je energie stacionárních stavů měřená od hranice ionizace dána vztahem

(n 1, n 2- parabolický. kvantová čísla splňující podmínku: n 1 + n 2 + 1 = n - t, t- magn. kvantové číslo). Fe-ro výraz pro teorii poruch je uveden v . Vzorec (5) platí i pro R. s. v atomech nepodobných vodíku, pokud rozsah Starkova štěpení určený druhým členem překročí energetický rozdíl mezi stavy s různými . Na Obr. 1 jako příklad ukazuje schéma hladiny Li v elektro. pole.

Rýže. Obr. 1. Schéma energetických hladin atomu Li v elektrickém poli pro n ~ 15 (|m| = 1) Obr..

Pravděpodobnost elektrické ionizace. pole atomů podobných vodíku v R. s. je definována asymptoticky. f-loy:

Pravděpodobnost ionizace atomu v R. s. prudce se zvyšuje, když intenzita el. pole E se blíží hodnotě , při kterém je možná autoionizace v rámci klas. mechanika.

Rydberg uvádí v magnetickém poli. Na rozdíl od běžných slabě vybuzených stavů, u kterých je hlavní roli hraje paramagnet. interakce atomu s magnetem. pole (viz Efekt Zeemapa, Pashen - Baka efekt), pro atomy v R. s. důležitá role diamagnet hraje. interakce, která velmi rychle roste s rostoucím p. R. s. v magn. pole je popsáno hamiltoniánem:

Kde L a S jsou celková hybnost a rotace atomu, v tomto pořadí, V- magn. indukce, je Bohrův magneton, je úhel mezi vektorem poloměru Rydbergova elektronu a vektorem magnetického pole. pole. Druhý termín popisuje paramagnetické, třetí - diamagnetické interakce. Pro R. s. diamag. Interakce roste vysoko P se stává rozhodující. Ve slabých polích roli hraje druhý člen, který udává rozdělení na m-složky s charakteristickou hodnotou, která je kvalitativně stejná jako u slabě excitovaných stavů. S rostoucí intenzitou pole se zvyšuje příspěvek diamagnetu. interakce, které spojují stavy s tímtéž m l A . [Pro stav 4p ( t = 1) v atomu vodíku diamagn. a paramagn. interakce jsou zarovnány na B = 2*10 7 Gs.] Každá úroveň s kvantovými čísly P A T rozdělit na součást. S dalším zvýšením intenzity pole se úrovně liší P a spektrum vodíku v magn. pole (obr. 2) se stává podobným spektru atomu v el. pole. V případě extrémně silných polí hlavní roli hraje interakce s magnetem. pole a R. s. jsou státy Landau (viz úrovně Landau), Coulombovu interakci pak lze považovat za poruchu.

Rýže. 2. Schéma energetických hladin atomu H v Rydbergových stavech v magnetickém poli (m = 1, sudé stavy).

Interakce atomů ve státě Rydberg s nabitými částicemi. Eff. úseky s kvantových přechodů v atomech umístěných v R. s. při srážkách s nabitými částicemi (elektrony, ionty) rostou jako geom. sekce ~n 4 . Pro přechody s malými hlavní roli hraje dálková dipólová interakce, která vede k , a při vysokých energiích ext. energetická závislost částic je dána faktorem (kvantový logaritmus!). S růstem začíná hrát stále důležitější roli interakce krátkého dosahu, která umožňuje zanedbat pole atomového zbytku při srážkovém procesu a samotnou srážku uvažovat v rámci klasického. mechanika. Tento přístup se nazývá klasický binární aproximace, umožňuje získat ; při vysokých energiích. V Bornově aproximaci je přechodový průřez při srážce s elektrony určen pomocí f-loy (3):

Funkce pro n = 100 je uvedeno v tabulce. 3.

T a b l. 3.

Přechody mezi R. s. při srážkách s elektrony jsou DOS. způsobit další (kromě Dopplerova) nepružné rozšíření rekombinační rádiové spoje pozorováno z řady astrofyzik. objekty (planetární mlhoviny, mezihvězdné prostředí, NI zóny atd.).

Při kolizi. přechody mezi R. s. se stejným P hlavní roli obvykle hrají ionty. Naíb. průřezy pro přechody mezi sousedními úrovněmi v důsledku dipólové interakce jsou velké. Jsou řádově vyšší než geom. sekce

Interakce atomů v Rydbergově stavu s neutrálními atomy. Li P je dostatečně velký, pak průřez procesu interakce atomů v R. s. s neutrálními atomy je vyjádřena jako rozptylová amplituda volného elektronu na neutrálním atomu a rozptylová amplituda atomu na kladně nabitém atomovém jádru. Např. v důsledku interakce s neutrálními atomy R. of page. dochází k rozšíření a posunu úměrnému koncentraci rušivých částic N:

součinitel se vyjadřují pomocí amplitudy pružného rozptylu elektronu na atomu a parametrů interakce neutrálního atomu s atomovým jádrem a pro dostatečně velké P usilovat o konstanty; ve střední oblasti může být jejich chování velmi složité a závisí na konkrétním typu rušivých částic. Pro atomy Cs v R. s. narušené např. atomy Ar asymptoticky. hodnoty,; pokud jsou rušivé atomy atomy Cs, pak se zvýší o faktor 20 ao 2 řády. Asimitotické hodnoty koeficientů. a dosah při interakci s atomy inertních plynů na , a při interakci s atomy alkalických kovů na . Chování průřezů jiných procesů interakce atomů v R.s. s neutrálními atomy (směšování stavů vzhledem k l, dezorientace atd.) je kvalitativně analogické chování rozšiřujících se průřezů.

Laboratorní pokusy. R. s. v laboratoři podmínky vznikají nejčastěji buzením atomu z hl. stavu jednoho nebo několika. světelné paprsky vysoké intenzity (alespoň na prvním stupni buzení - čerpání). K čerpání se obvykle používá N 2 laser nebo druhá (třetí) harmonická laseru z neodymového skla. Přijmout R. s. s danými kvantovými čísly n, l, t, ve druhé fázi je atomový systém buzen zářením výkonných laditelných barvivových laserů.

Za registraci R. s. max. široce se používala fluorescenční metoda a metoda elektrické ionizace. pole. Fluorescenční metoda je založena na analýze kaskádové emise světla při přechodech atomu z R.s. Tato metoda je selektivní, ale intenzita detekovaného záření ve viditelné oblasti je v tomto případě nízká. Fluorescenční metoda se používá zpravidla pro R. výzkum po stránce. S P< 20.

Při metodě ionizace el. pole registruje elektrony uvolněné v důsledku ionizace atomu v R. s. při vystavení elektřině. pole. Selektivita je v tomto případě zajištěna extrémně ostrou závislostí pravděpodobnosti ionizace na kvantových číslech P A T. Nejčastěji se tato metoda používá v časově rozlišeném režimu: po pulzní excitaci R.s. je aplikován pilový elektrický impuls. pole. Každý R. s. v časově povolené ionizaci. signál dává vrchol po přesně definovaném čase od okamžiku zapnutí pole. Metoda se liší jednoduchostí, vysokou citlivostí a na rozdíl od fluorescenční metody je zvláště účinná při R. výzkumu stránky. s velkým P když pro ionizaci není potřeba vysoké napětí. pole.

Spektra atomů a iontů v R. s. dif. metody. Pomocí konvenčních multimódových laserů je dosaženo spektrálního rozlišení řádově šířky dopplerovské úrovně, což umožňuje studovat radioaktivitu. s . Pokud je potřeba více vysoké rozlišení, pak se používá metoda zkřížených atomárních laserových paprsků, která dává rozlišení několik MHz, nebo metody nelineární laserové spektroskopie. Metodou dvoufotonové spektroskopie bylo například získáno spektrum s rozlišením v řádu KHz. V případech, kdy jsou zajímavé intervaly mezi sousedními R, jsou metody pohodlnější. radiospektroskopie,, kvantové údery a úrovňové přejezdy (viz Státní vměšování). Namísto nastavení frekvence záření na frekvenci přechodu mezi R. s., na daný externí. frekvenční pole lze upravit pomocí R. s. V tomto případě R. s. umožňují zesílení slabého mikrovlnného signálu. Tato metoda získala citlivost v rozsahu milimetrů; je důvod očekávat zvýšení citlivosti o další 2 řády.

Zvláště zajímavé jsou experimenty s atomy v R. s. v rezonátorech. Pro n~ 30 přechodů mezi R.. s. leží v rozmezí milimetrů, pro které existují rezonátory s velmi vysokou . Zároveň je účinek el pole na atomech v R. s. výrazněji než například u molekulární rotace. energetické hladiny, proto s pomocí R. s. Poprvé bylo možné prokázat řadu kvantových efektů předpovězených v 50. a 60. letech 20. století: potlačení spontánního záření. překódování v rezonátoru, Rabi nutace - interakce s poli jednoho fotonu v , kooperativní Dickeho efekty pro několik. atomy (viz superzáření)atd. .

Astrofyzikální aplikace Rydbergových států. První pozorování budou vyzařovat, přechody mezi R. s. od astrofyziků. předměty (čáry a) byly vyrobeny v SSSR. Rádiové emisní čáry odpovídající přechodům mezi rádiovými vlnami jsou pozorovány až n~ 300 z galaktické zóny H II, planetární mlhoviny, centrální oblasti naší Galaxie a některé další galaxie. Byly také nalezeny linie He, He II, C II. Hlavní R. mechanismus vzniku stránky. v astrofyzi. objektů je fotorekombinace, proto se nazývají rádiové emisní čáry. také rekombinace. rádiové spoje. Rádiové spojení mezi R. s. hrají důležitou roli v diagnostice astrofy. objektů. Pro P < 100 ширина таких линий обусловлена и позволяет судить о ионной темп-ре космич. плазмы. Для более высоких P srážky s elektrony přispívají k rozšíření a tak dále. elektrony lze také odhadnout z šířky rádiových čar. Poměr intenzit radiových čar a kontinua udává teplotu elektroniky.

V mezihvězdných oblacích byly nalezeny absorpční rádiové čáry, které patří iontu C II a odpovídají přechodům mezi rádiovými vlnami. S P > 700.

lit.: 1) R y d b e r g J. R., „Z. Phys. Chem., 1890, Bd 5, S. 227; 2) Rydbergovy stavy atomů a molekul, trans. z angličtiny, M., 1985; 3) Vainshtein L. A., Sobelman I. I., Yuko v E. A., Excitation of atoms and, M., 1979; 4) Nagoe he S., Raimond J. M., "Adv. v Atomu. a Molec. Phys.", 1985, v. 20, str. 347; 5) Sorochenko R. L., Rekombinace rádiových linek, v knize: Space Physics, 2. vyd., M., 1986. I. L. Beigman,

Rydbergovy stavy molekul. Vysoce excitované elektronické stavy hmoty, stejně jako atomové stavy, jsou podobné řadě stavů atomu vodíku. Rydbergovy orbitaly molekul jsou označeny principálem P a orbitální l kvantová čísla a typ skupiny symetrie molekuly(např. nsa 1, npb 1). R. energie s. (měřeno od hranice molekulární ionizace) je určeno Rydbergovou f-smyčkou (2). U molekuly skládající se z atomů první periody je velikost kvantového defektu pro nd-orbitals je velmi malý (0,1), pro nr-orbitaly jsou mírně vyšší (0,3-0,5), a pro ns-orbitálů je mnohem více (0,9-1,2). R. stabilita s. molekul závisí na stabilitě hl. stav nebo nízko ležící excitovaný stav molekulárního iontu vzniklý odstraněním Rydbergova elektronu, protože Rydbergův orbital je obecně nevazebný. Stabilita iontu závisí na tom, zda je elektron odstraněn z vazebného, ​​uvolněného nebo nevazebného molekulárního orbitalu, bazického. stav neutrální molekuly. Například pro H20 z použitého molekulární orbitaly v ose. nejvyšší stav je nevazebný molekulární orbital 1 b 1. Proto hlavní stav iontu H 2 O +, vyplývající z odstranění elektronu z tohoto orbitalu, je stejně stabilní jako hlavní. stav molekuly H 2 O: prakticky všechny R. s. Molekuly H 2 O konvergující k hlavnímu. stavu iontu H 2 O +, jsou stabilní.

Pokud se elektron přesune z nízko položeného do vyššího molekulárního orbitalu se stejným P, pak se volají výsledné stavy subrydbergovský a. T. do. P není dobře definované kvantové číslo pro nízkomolekulární orbitaly, sub-Rydbergovy stavy se od R. s. liší jen málo. molekul, i když sub-Rydbergovy orbitaly mohou být také vazebné.

R. s. molekuly se liší od R. s. atomy Ch. arr. vlivem vibrací, rotací a možnosti disociace iontového jádra molekuly. Pokud je iontové jádro v excitované vibraci. stavu, pak Rydbergův elektron při pronikání do iontového jádra (což se stává poměrně zřídka, s pravděpodobností), může zažít nepružnou srážku s jádrem, získat dostatečnou kinetickou energii. energie z vibrací. energie jádra a vedou k ionizaci molekuly, tzv. vibrační autoionizace. Proces autoionizace je také možný díky rotaci. Velmi vzrušený R. s. molekuly obvykle leží tak blízko, že energetická. interval mezi nimi je stejného řádu nebo dokonce menší než vibrující kvantum. nebo otočit. energii molekuly. Proto se pro molekuly v R. s. často používá separace elektronických a jaderných pohybů, přijatá v Bern-Oppenheimerově aproximaci. se stává nepoužitelným.

lit.: Herzberg G., Elektronická spektra a struktura polyatomových molekul, trans. z angličtiny, M., 1969; Rydbergovy stavy atomů a molekul, ed. R. Stebbings, F. Dunving, přel. z angličtiny, M., 1985. M. R. Alijev.

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými členy a může se výrazně lišit od té recenzované 9. listopadu 2018; je vyžadováno ověření.

Rydbergovy atomy(pojmenovaný po J. R. Rydbergovi) - atomy podobné vodíku a atomy alkalických kovů, u kterých je vnější elektron ve vysoce excitovaném stavu (až úrov. n asi 1000). Pro převedení atomu ze základního stavu do excitovaného stavu je atom ozářen rezonančním laserovým světlem nebo je iniciován RF výboj. Velikost Rydbergova atomu může překročit velikost stejného atomu v základním stavu téměř 106krát. n = 1000 (viz tabulka níže).

Elektron obíhající po dráze o poloměru r kolem jádra, podle druhého Newtonova zákona, zažívá sílu

Z těchto dvou rovnic získáme výraz pro orbitální poloměr elektronu ve stavu n :

Kde Ry = 13,6 eV je Rydbergova konstanta a δ je defekt jaderného náboje, který obecně n bezvýznamný. Energetický rozdíl mezi n-m a ( n+1)-tá energetická hladina se rovná

Charakteristická velikost atomu rn a typické semiklasické období elektronové revoluce se rovnají

Vlnová délka emise atomu vodíku při přechodu z n"= 91 na n = 90 rovných 3,4 cm.

Když jsou atomy excitovány ze základního stavu do Rydbergova stavu, zajímavý fenomén tzv. „dipólová blokáda“.

Koherentní řízení dipólové blokády Rydbergových atomů laserovým světlem z nich dělá slibného kandidáta pro praktickou implementaci kvantového počítače. Podle vědeckého tisku nebyl do roku 2009 experimentálně implementován dvouqubitový hradlový prvek, který je důležitý pro výpočetní techniku. Existují však zprávy o pozorování kolektivní excitace a dynamické interakce mezi dvěma atomy a v mezoskopických vzorcích.

Silně interagující Rydbergovy atomy se vyznačují kvantově kritickým chováním, které poskytuje základní vědecký zájem k nim bez ohledu na aplikaci.

Studie související s Rydbergovými stavy atomů lze podmíněně rozdělit do dvou skupin: studium samotných atomů a využití jejich vlastností pro jiné účely.

V roce 2009 se vědcům z podařilo získat Rydbergovu molekulu (Angličtina) .

První experimentální data o Rydbergových atomech v radioastronomii získali v roce 1964 R. S. Sorochenko a kol. Při zaměření dalekohledu na mlhovinu Omega byla ve spektru radiové emise pocházející z této mlhoviny detekována emisní čára o vlnové délce λ ≃ 3,4 cm. Tato vlnová délka odpovídá přechodu mezi Rydbergovými stavy n"= 91 A n = 90 ve spektru atomu vodíku

Plán:

Úvod

• 1 Vlastnosti Rydbergových atomů
  • 1.1 Dipólová blokáda Rydbergových atomů
• 2 Směry výzkumu a možné aplikace
Poznámky

Úvod

Rydbergovy atomy(pojmenovaný po J. R. Rydbergovi) - atomy alkalických kovů, u kterých je vnější elektron ve vysoce excitovaném stavu (až úrov. n ~ 100). Pro převedení atomu ze základního stavu do excitovaného stavu je atom ozářen rezonančním laserovým světlem nebo je iniciován RF výboj. Velikost Rydbergova atomu je mnohem větší než velikost stejného atomu v základním stavu téměř 10 000krát pro n=100 (viz tabulka níže).

1. Vlastnosti Rydbergových atomů

Elektron obíhající po dráze o poloměru r kolem jádra, podle druhého Newtonova zákona, zažívá sílu:

Kde k= 1/(4πε 0), E je náboj elektronu.

Orbitální moment v jednotkách ħ rovná se:

.

Z těchto dvou rovnic získáme výraz pro orbitální poloměr elektronu ve stavu "n"

Schéma laserové excitace atomu rubidia do Rydbergova stavu

Vazebná energie takového atomu podobného vodíku je

kde Ry = 13,6 eV je Rydbergova konstanta a δ defekt jaderného náboje, který na vel n bezvýznamný. Energetický rozdíl mezi n-m a n+1-té energetické hladiny se přibližně rovna

Charakteristická velikost atomu rn a typické semiklasické období elektronové revoluce se rovnají

Kde a B = 0,5 x 10 -10 m je Bohrův poloměr a T 1 ~ 10 −16 s.

Porovnejme některá čísla základních a Rydbergových stavů atomu vodíku.

1.1. Dipólová blokáda Rydbergových atomů

Při excitaci atomů ze základního stavu do Rydbergova stavu dochází k zajímavému jevu, tzv dipólová blokáda. Ve vybité atomové páře je vzdálenost mezi atomy v základním stavu velká a mezi atomy prakticky nedochází k žádné interakci. Když jsou však atomy excitovány do Rydbergova stavu, jejich orbitální poloměr se zvětší o n 2 až ~1 µm. V důsledku toho se atomy "přibližují", interakce mezi nimi se výrazně zvyšuje, což způsobuje posun energie stavů atomů. K čemu to vede? Předpokládejme, že pouze jeden atom může být vybuzen ze základního stavu do Riebergova stavu slabým světelným pulzem. Pokus o osídlení stejné úrovně jiným atomem je zjevně nemožný kvůli „dipólové blokádě“.

2. Směry výzkumu a možné aplikace

Studie související s Rydbergovými stavy atomů lze podmíněně rozdělit do dvou skupin: studium samotných atomů a využití jejich vlastností pro jiné účely.

Základní oblasti výzkumu:

• Z několika států s velkými n je možné sestavit vlnový paket, který bude víceméně lokalizován v prostoru. Pokud je orbitální kvantové číslo také velké, pak dostaneme téměř klasický obrázek: kolem jádra rotuje ve velké vzdálenosti od něj lokalizovaný elektronový mrak.
• Pokud je orbitální hybnost malá, pak pohyb takového vlnového balíčku bude kvazijednorozměrné: Elektronový mrak se bude vzdalovat od jádra a znovu se k němu přibližovat. Toto je analogie vysoce protáhlé eliptické dráhy v klasická mechanika při pohybu kolem slunce.
• Chování Rydbergova elektronu ve vnějších elektrických a magnetické pole. Běžné elektrony v blízkosti jádra většinou cítí silné elektrostatické pole jádra (řádově 10 9 V/cm), a vnější pole pro ně hrají roli pouze malých doplňků. Rydbergův elektron cítí silně oslabené pole jádra ( E~E0/n4), a proto mohou vnější pole radikálně deformovat pohyb elektronu.
• Atomy se dvěma Rydbergovými elektrony mají zajímavé vlastnosti, přičemž jeden elektron se „točí“ kolem jádra ve větší vzdálenosti než druhý. Takové atomy se nazývají planetární.
• Podle jedné z hypotéz se kulový blesk skládá z Rydbergovy látky.

Neobvyklé vlastnosti Rydbergových atomů již nacházejí uplatnění

• Kvantové detektory rádiové emise: Rydbergovy atomy dokážou zaregistrovat i jediný foton v rádiovém dosahu, což je daleko za možnostmi běžných antén.
• Stupňovité energetické spektrum Rydbergova elektronu slouží jako „energetická bilance“, kterou lze použít pro přesná měření energie.
• Rydbergovy atomy jsou také pozorovány v mezihvězdném prostředí. Jsou to velmi citlivé tlakové senzory, které pro nás vytvořila sama příroda.

V roce 2009 se vědcům z univerzity ve Stuttgartu podařilo získat Rydbergovu molekulu.

Poznámky

1. W. Demtroder Laserová spektroskopie: Základní pojmy a přístrojové vybavení. - Springer, 2009. - 924 s. - ISBN 354057171X
2. R. Heidemann a kol. (2007). „Důkaz pro koherentní kolektivní Rydbergovo vzrušení v režimu silné blokády - link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601“. Fyzické kontrolní dopisy 99 (16): 163601. DOI:10.1103/PhysRevLett.99.163601 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.163601. arΧiv:quant-ph/0701120 - arxiv.org/abs/quant-ph/0701120.
3. Koheze v kulovém blesku - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
4. membrana.ru "Poprvé na světě byla získána Rydbergova molekula" - www.membrana.ru/lenta/?9250

Alkalické kovy, ve kterých je vnější elektron ve vysoce excitovaném stavu (až úrovní n asi 1000). Pro převedení atomu ze základního stavu do excitovaného stavu je atom ozářen rezonančním laserovým světlem nebo je iniciován RF výboj. Velikost Rydbergova atomu může překročit velikost stejného atomu v základním stavu téměř 106krát. n = 1000 (viz tabulka níže).

Vlastnosti Rydbergových atomů

Elektron obíhající po dráze o poloměru r kolem jádra, podle druhého Newtonova zákona, zažívá sílu

,

kde ( - dielektrická citlivost), E je náboj elektronu.

Orbitální moment v jednotkách ħ rovná se

.

Z těchto dvou rovnic získáme výraz pro orbitální poloměr elektronu ve stavu n :

Schéma laserové excitace atomu rubidia do Rydbergova stavu.

Vazebná energie takového atomu podobného vodíku je

,

Kde Ry= 13,6 eV je Rydbergova konstanta a δ - defekt jaderného náboje, který na vel n bezvýznamný. Energetický rozdíl mezi n-tý a n+1-té energetické hladiny se přibližně rovna

.

Charakteristická velikost atomu rn a typické semiklasické období elektronové revoluce se rovnají

,

Kde a B= 0,5 10 −10 m je Bohrův poloměr a T 1 ~ 10 −16 s.

Parametry prvních excitovaných a Rydbergových stavů atomu vodíku

hlavní kvantové číslo,	První vzrušený Stát,	Rydbergovskoe Stát,
Vazebná energie elektronu v atomu (ionizační potenciál), eV	≃ 5	≃ 10 −5
Velikost atomu (poloměr elektronové oběžné dráhy), m	~ 10 −10	~ 10 −4
Doba oběhu elektronů, s	~ 10 −16	~ 10 −7
Přirozená životnost, s	~ 10 −8	~ 1

Vlnová délka emise atomu vodíku při přechodu z n"= 91 na n = 90 rovných 3,4 cm

Dipólová blokáda Rydbergových atomů

Když jsou atomy excitovány ze základního stavu do Rydbergova stavu, dochází k zajímavému jevu, nazývanému „dipólová blokáda“.

Ve zředěné atomové páře je vzdálenost mezi atomy v základním stavu velká a mezi atomy prakticky nedochází k žádné interakci. Při excitaci atomů do Rydbergova stavu se však jejich orbitální poloměr zvětšuje a dosahuje hodnoty řádově 1 μm. V důsledku toho se atomy "přibližují", interakce mezi nimi se výrazně zvyšuje, což způsobuje posun energie stavů atomů. K čemu to vede? Předpokládejme, že pouze jeden atom může být vybuzen ze základního stavu do Riebergova stavu slabým světelným pulzem. Pokus o osídlení stejné úrovně jiným atomem je zjevně nemožný kvůli „dipólové blokádě“.

Směry výzkumu a možné aplikace

Studie související s Rydbergovými stavy atomů lze podmíněně rozdělit do dvou skupin: studium samotných atomů a využití jejich vlastností pro jiné účely.

Základní oblasti výzkumu:

Neobvyklé vlastnosti Rydbergových atomů již nacházejí uplatnění

V roce 2009 se vědcům z podařilo získat Rydbergovu molekulu (Angličtina) ruština .

radioastronomie

První experimentální data o Rydbergových atomech v radioastronomii získali v roce 1964 R. S. Sorochenko a kol. Při zaměření dalekohledu na mlhovinu Omega byla ve spektru radiové emise pocházející z této mlhoviny detekována emisní čára o vlnové délce λ ≃ 3,4 cm. Tato vlnová délka odpovídá přechodu mezi Rydbergovými stavy n"= 91 A n = 90 ve spektru atomu vodíku.

Poznámky

Literatura

• Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. a kol. Spektroskopie Rydbergových atomů při n ≅ 500 // Phys. Rev. Lett. 1987 sv. 59. S. 26.
• Frey M. T. Hill S.B.. Smith K.A.. Dunning F.B., Fabrikant I.I. Studie rozptylu elektron-molekul při mikroelektronvoltových energiích s použitím velmi vysokých n Rydbergových atomů // Phys. Rev. Lett. 1995 sv. 75, č. 5. S. 810-813.
• Sorochenko R. L., Salomonovič A. E. Obří atomy ve vesmíru // Příroda. 1987. č. 11. S. 82.
• Dalgarno A. Rydberg atomy v astrofyzice // Rydbergovy stavy atomů a molekul: Per. z angličtiny. / Ed. R. Stebbins, F. Dunning. M.: Mir. 1985, str. 9.
• Smirnov BM Vzrušené atomy. Moskva: Energoizdat, 1982. Ch. 6.

Odkazy

• Delaunay N. B. Rydbergovy atomy // Soros Educational Journal, 1998, č. 4, s. 64-70
• "Condensed Rydberg mater", E. A. Manykin, M. I. Ozhovan, P. P. Poluektov, článek z časopisu "Priroda" N1, 2001.

Nadace Wikimedia. 2010 .