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里德伯原子
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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。
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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:
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n4.5,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[1]。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[2][1]。
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。