里德伯原子

里德伯原子（Rydberg atom）是指價電子被激發到高激發態能級結構由里德伯能級公式描述的原子。俗稱巨原子或胖原子。里德伯原子具有許多奇異的特性，里德伯原子半徑大，結合能小，壽命長，因此已被當作 探針用來進行基礎研究和多方面的套用，並已逐步發展成一門獨立的學科分支。

里德伯原子的價電子離原子實很遠，能級結構類似於氫原子。有關高激發態的研究是原子物理學的新課題。

基本介紹

• 中文名：里德伯原子
• 外文名：Rydberg atom
• 簡單定義：價電子被激發到高激發態的原子
• 特性：半徑大、結合能小、壽命長

理論詮釋

處在高激發態的氫原子是最簡單的里德伯原子，它的一個電子通過庫侖吸引力與質子相結合，產生一系列的能級：

里德伯原子(一)

E=－R_Hhc/n²

式中R_H是氫原子的里德伯常數，h為普朗克常數，c為光速，n是主量子數，n=1,2,3,…等整數。能量為E_n的里德伯原子的大小用電子繞核運動的平均半徑〈r〉_n來描述，

〈r〉_n=a₁n²

這裡a₁是玻爾半徑（見原子結構）。里德伯原子的壽命τ_n隨n³而增加。

其他的原子，甚至分子也可產生里德伯態，只須用n^*代替上式中的n，n^*=n－μ，n^*稱為有效量子數，μ稱為量子數虧損。如一個n=60的里德伯原子，它的半徑〈r〉₆₀≈190.0納米，相當於一個病毒的大小，比基態的原子大了三個數量級。這時它的結合能約為0.0038電子伏，要比在室溫下粒子的熱平動能（約0.025電子伏）小得多，而壽命卻比低激發態壽命（10^－9秒）長了3個數量級（10^－6秒）。

原子的光譜一般在真空紫外、紫外及可見光區，而里德伯原子的高激發態間的躍遷可產生紅外、微波及射頻波，如n=630與640里德伯態間的躍遷產生26兆赫的射電波。如此巨大的原子很容易受到碰撞的影響而退激發，自然界只在氣體密度極稀薄的宇宙空間才能觀察到。

產生的方法

產生里德伯原子的方法很多，如激發與複合過程。光吸收是最簡單的激發方式，電子碰撞激發是放電管中的最有效過程，在天體及實驗室電漿中、原子之間、原子與離子之間在高溫下的碰撞激發以及電子與離子的複合等也可產生里德伯原子。用調頻雷射作多光子吸收是產生里德伯原子最有效的方法，具有選擇激發的優點。

特性

里德伯原子半徑大、結合能小，很容易受到外加電磁場以及與其他原子、分子的碰撞等的影響而改變其性能。如所有原子處於高激發態時，外磁場作用下都成為抗磁性的；外電場作用下則具有很強的偶極矩，其電子電荷沿電場方向呈雪茄狀分布長達數千埃，但壽命只有10^－12秒。高密度環境下，里德伯原子的電子和核之間的庫侖勢，使充滿於其間的大量基態原子和分子發生極化，此極化勢使里德伯原子能級發生紅移，即里德伯原子與所包含的原子、分子被庫侖勢加上極化勢耦合成一個巨分子複合體。

里德伯原子(二)

實際套用

里德伯原子的特殊性能已被用作測量微波、射電波及檢驗電磁場的探測器，用其斯塔克效應可使金屬原子作為磁流體中產生電流的催化劑。里德伯原子的光譜被當作探針來檢測天體及實驗室電漿的密度與溫度。在高密度氣體中的里德伯原子及分子還是新的雷射工作物質。