里德伯原子

里德伯原子是指具有高激發態電子（主量子數n很大）的原子。里德伯原子中只有一個電子處於很高的激發態，離原子實（原子核和其餘的電子）很遠，原子實對這個電子的庫侖作用可視為一個點電荷的庫侖作用，因此可以將里德伯原子看作類氫原子，將多體問題轉化為單電子問題，這樣就大大簡化了計算。

1885年巴耳末提出氫原子光譜的巴耳末公式之後，就有人觀測到了n=13的氫原子譜線。1893年美國天文學家皮克林在天文觀測中觀測到了n=31的譜線。1906年又有人觀測到了n=51的鈉的里德伯原子。目前人們在實驗室中已經製備出n≈105的原子，射電天文已經觀測到了n≈630的里德伯原子。

在玻爾模型中，電子的軌道半徑與n²成正比。

當原子處於基態時，儘管不同原子的質量差別很大，而原子半徑相差不大。而里德伯原子的主量子數n很大，根據玻爾模型，電子的軌道半徑：

$r_{n}=n^{2}{\frac {\varepsilon _{0}h^{2}}{\pi m_{e}e^{2}}}$

即正比於n²，因此里德伯原子的半徑比一般原子大很多。n=250的里德伯原子半徑約為3.3微米，接近一個典型細菌的大小。

當原子中的電子處於主量子數n很低的狀態時，激發態平均壽命在10^-8秒左右。里德伯原子的電子被激發到n很大的狀態。根據玻爾提出的對應原理，其行為接近於經典物理學的情況。此時激發態的平均壽命近似正比於n^4.5，因此里德伯原子的壽命比較長，有的在10^-3秒到1秒的數量級。里德伯原子的外層電子結合能近似與n²成正比，相鄰兩個能級之間的能量間隔近似與n³成反比，因此里德伯原子的能量間隔隨n的增加而迅速減小。這使得檢測里德伯原子需要有高分辨率的光譜技術，同時也帶來一些新的現象。例如對於正常原子，室溫的黑體輻射頻率遠低於原子的一般輻射頻率，室溫黑體輻射對原子的影響可以忽略不計。而對於里德伯原子，能量間隔很小，室溫黑體輻射能夠影響原子的壽命。

在普通原子中，原子內部庫侖作用比較強，外部的電場、磁場對原子的影響比較小。而里德伯原子中由於電子到原子實的距離比較遠，庫侖作用比較小，比較容易受到外加的電磁場影響，產生一些有趣的現象。

進一步閱讀

• 張綺香.物理,10(1981)273.
• 楊福家.《原子物理學》2008年第四版，P53，附註二：里德伯原子

外部連結

• Rydberg Atoms and the Quantum Defect