里德伯原子

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里德伯原子是指具有高激发态电子主量子数n很大)的原子。里德伯原子中只有一个电子处于很高的激发态,离原子实原子核和其余的电子)很远,原子实对这个电子的库仑作用可视为一个点电荷的库仑作用,因此可以将里德伯原子看作类氢原子,将多体问题转化为单电子问题,这样就大大简化了计算。

1885年巴耳末提出氢原子光谱巴耳末公式之后,就有人观测到了n=13的氢原子谱线。1893年美国天文学家皮克林在天文观测中观测到了n=31的谱线。1906年又有人观测到了n=51的的里德伯原子。目前人们在实验室中已经制备出n≈105的原子,射电天文已经观测到了n≈630的里德伯原子。

在玻尔模型中,电子的轨道半径与n2成正比。

当原子处于基态时,尽管不同原子的质量差别很大,而原子半径相差不大。而里德伯原子的主量子数n很大,根据玻尔模型,电子的轨道半径:

r_n = n^2\frac{\varepsilon_0 h^2}{\pi m_e e^2}

即正比于n2,因此里德伯原子的半径比一般原子大很多。n=250的里德伯原子半径约为3.3微米,接近一个典型细菌的大小。

当原子中的电子处于主量子数n很低的状态时,激发态平均寿命在10-8秒左右。里德伯原子的电子被激发到n很大的状态。根据玻尔提出的对应原理,其行为接近于经典物理学的情况。此时激发态的平均寿命近似正比于n4.5,因此里德伯原子的寿命比较长,有的在10-3秒到1秒的数量级。里德伯原子的外层电子结合能近似与n2成正比,相邻两个能级之间的能量间隔近似与n3成反比,因此里德伯原子的能量间隔随n的增加而迅速减小。这使得检测里德伯原子需要有高分辨率的光谱技术,同时也带来一些新的现象。例如对于正常原子,室温的黑体辐射频率远低于原子的一般辐射频率,室温黑体辐射对原子的影响可以忽略不计。而对于里德伯原子,能量间隔很小,室温黑体辐射能够影响原子的寿命[1]

在普通原子中,原子内部库仑作用比较强,外部的电场磁场对原子的影响比较小。而里德伯原子中由于电子到原子实的距离比较远,库仑作用比较小,比较容易受到外加的电磁场影响,产生一些有趣的现象。

进一步阅读[编辑]

  • 张绮香.物理,10(1981)273.
  • 杨福家.《原子物理学》2008年第四版,P53,附注二:里德伯原子

外部链接[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ E.J.Beiting et al..J.Chem.Phys.,70(1979)3551;T.F.Gallagher & W.E.Cooke.Phys.Rev.Lett.,42(1979)835.