Ռիդբերգյան ատոմներ

Ռիդբերգի ատոմները (անվանում են Ջ. Ռ. Ռիդբերգի անունով) ջրածնի նման ատոմներ և ալկալային մետաղների ատոմներ են, որոնցում արտաքին էլեկտրոնը գտնվում է խիստ գրգռված վիճակում (մինչև n մակարդակը՝ մոտ 1000): Ատոմը հիմնական վիճակից գրգռված վիճակ տեղափոխելու համար այն ճառագայթվում է ռեզոնանսային լազերային լույսով կամ դրդում են ռադիոհաճախականության արտանետման: Ռիդբերգի ատոմի չափը կարող է հիմնական վիճակում գտնվող նույն ատոմի չափը գերազանցել գրեթե 10⁶ անգամ ` n = 1000 (տե՛ս: (տե՛ս ստորև բերված աղյուսակը):

Լիթիումի մակարդակները

Ռիդբերգի ատոմների հատկությունները

Միջուկի շուրջը r շառավղով ուղեծրով պտտվող էլեկտրոնը, համաձայն Նյուտոնի երկրորդ օրենքի, զգում է ուժը

$\mathbf {F} =m\mathbf {a} \Rightarrow {\frac {ke^{2}}{r^{2}}}={\frac {mv^{2}}{r}},$

Որտեղ $k=1/(4\pi \epsilon _{0})$ ($\epsilon _{0}$ - դիէլեկտրիկ թափանցելություն ), e էլեկտրոնային լիցք:

Ուղեծրային անկյունային մոմենտը միավորներով ħ

$mvr=n\hbar .$

Այս երկու հավասարություններից մենք ստանում ենք n վիճակում գտնվող էլեկտրոնի ուղեծրային շառավղի արտահայտությունը.

$r={\frac {n^{2}\hbar ^{2}}{ke^{2}m}}.$

աջից|մինի|333x333փքս|Ռուբիդիումի ատոմի լազերային գրգռման սխեմա Ռիդբերգի վիճակում Ջրածնի նման ատոմի կապի էներգիան կազմում է

$W_{n}={\frac {\mathrm {Ry} }{(n-\delta )^{2}}},$

որտեղ Ry = 13,6 էՎ է Ռիդբերգի հաստատունը, իսկ δ- ն միջուկային լիցքի դեֆեկտն է, ինչը մեծ n-երի դեպքում աննշան է. N- րդ և ( n + 1)-րդ էներգիայի մակարդակների միջև էներգիայի տարբերությունն է

$\Delta W\equiv W_{n}-W_{n+1}\approx {\frac {\mathrm {Ry} }{n^{3}}}.$

Ատոմի r _n- ի բնութագրական չափը և էլեկտրոնի պտույտի պարբերությունը բնորոշ կիսադասական պատկերացումներով՝

$r_{n}\approx a_{\text{B}}n^{2},\quad T_{n}\approx T_{1}n^{3},$

որտեղ a_B = 0,5×10⁻¹⁰ մ է Բորի շառավիղը, եւ T₁ ~ 10⁻¹⁶ վ

Ջրածնի ատոմի առաջին գրգռված և Ռիդբերգի վիճակների պարամետրերը

Հիմնական քվանտային համարը$n$	Առաջին գրգռված վիճակ, n=2	Ռիդբերգի վիճակ, n=1000
Энергия связи электрона в атоме (потенциал ионизации), эВ	5	≃ 10 −5
Ատոմի չափը (էլեկտրոնային ուղեծրի շառավիղը), մ	10 − −10	~ 10 −4
Էլեկտրոնի ուղեծրային շրջանը, ս	10 − −16	~ 10 −7
Բնական կյանքի տևողությունը, ս	~ 10 −8	1 ֆունտ

Ջրածնի ատոմի ճառագայթման ալիքի երկարությունը n′ = 91 ից n = 90 -ին անցնելիս կազմում է 3,4 սմ  :

Ռիդբերգի ատոմների դիպոլային շրջափակում

Երբ ատոմները գրգռված վիճակից անցնում են Ռիդբերգի վիճակ, տեղի է ունենում մի հետաքրքիր երեւույթ, որը կոչվում է «դիպոլի շրջափակում»:

Հազվագյուտ ատոմային գոլորշիում հիմնական վիճակում գտնվող ատոմների միջև հեռավորությունը մեծ է, և ատոմների միջև գործնականում փոխազդեցություն չկա: Սակայն Ռիդբերգի վիճակի ատոմների գրգռումից հետո նրանց ուղեծրային շառավղը մեծանում է $n^{2}$ և հասնում է 1 մկմ կարգի արժեքի: Արդյունքում ատոմները «մոտենում են», նրանց միջեւ փոխազդեցությունը զգալիորեն մեծանում է, ինչը առաջացնում է ատոմների պետությունների էներգիայի տեղաշարժ: Ինչի՞ն է դա հանգեցնում: Ենթադրենք, որ հիմնական վիճակից դեպի Ռիդբերգի վիճակ միայն մեկ ատոմն էր գրգռվում թույլ լուսային զարկերակով: «Դիպոլի շրջափակման» պատճառով նույն մակարդակը մեկ այլ ատոմով բնակեցնելու փորձը ակնհայտորեն անհնար է դառնում, քանի որ երկրորդ ատոմի Ռիդբերգի պետությունը կփոխի էներգիան առաջին ատոմի հետ փոխազդեցության պատճառով և, հետևաբար, «դուրս կգա» ֆոտոնի հաճախականության հետ ռեզոնանսից:

Ռիդբերգի ատոմների դիպոլային շրջափակման լազերային լույսի համահունչ վերահսկումը նրանց քվանտային համակարգչի գործնական ներդրման խոստումնալից թեկնածու է դարձնում: Ըստ գիտական մամուլի, մինչև 2009 թվականը, քվանտային համակարգչի կարևորագույն տարրը` երկու քուբիթանոց դարպասը, փորձարարականորեն չէր իրականացվում: Այնուամենայնիվ, կան հաղորդումներ երկու ատոմների և մերոսկոպիկ նմուշների հավաքական գրգռման և դինամիկ փոխազդեցության դիտարկման մասին:

Ռիդբերգի ուժեղ փոխազդեցության ատոմները բնութագրվում են քվանտային քննադատական վարքով, ինչը նրանց համար հիմնարար գիտական հետաքրքրություն է ապահովում ՝ անկախ դրանց կիրառությունից:

Հետազոտության ուղղությունները և հնարավոր կիրառությունները

Ռիդբերգի նահանգների ատոմների հետ կապված հետազոտությունները պայմանականորեն կարելի է բաժանել երկու խմբի՝ բուն ատոմների ուսումնասիրություն և դրանց հատկությունների օգտագործում այլ նպատակների համար:

Հետազոտության հիմնարար ուղղությունները.

• Մեծ n ունեցող մի քանի վիճակներ կարող են օգտագործվել ալիքային փաթեթ ստեղծելու համար, որը քիչ թե շատ տեղայնացված կլինի տարածության մեջ: Եթե ուղեծրային քվանտային թիվը նույնպես մեծ է, ապա մենք ստանում ենք գրեթե դասական պատկեր. տեղայնացված էլեկտրոնային ամպը պտտվում է միջուկի շուրջը նրանից մեծ հեռավորության վրա:
• Եթե ուղեծրային անկյունային իմպուլսը փոքր է, ապա այդպիսի ալիքային փաթեթի շարժումը կլինի քվազի միաչափ: էլեկտրոնային ամպը կշարժվի միջուկից և նորից կմոտենա նրան: Սա դասական մեխանիկայի շատ երկարաձգված էլիպսաձեւ ուղեծրի անալոգն է Արեգակի շուրջը շարժվելիս:
• Ռիդբերգի էլեկտրոնի վարքագիծը արտաքին էլեկտրական և մագնիսական դաշտերում: Միջուկին մոտ գտնվող սովորական էլեկտրոնները հիմնականում զգում են միջուկի ուժեղ էլեկտրաստատիկ դաշտը (10 ⁹ Վ / սմ կարգի), իսկ արտաքին դաշտերը նրանց համար խաղում են միայն փոքր լրացումների դեր: Ռիդբերգի էլեկտրոնը զգում է միջուկի խիստ թուլացած դաշտը ( E₀ / n⁴ ), ուստի արտաքին դաշտերը կարող են արմատապես փոխել էլեկտրոնի շարժումը:
• Ռիդբերգի երկու էլեկտրոն ունեցող ատոմներն ունեն հետաքրքիր հատկություններ, որոնցից մեկ էլեկտրոնը «պտտվում է» միջուկի շուրջ մյուսից ավելի մեծ հեռավորության վրա: Նման ատոմները կոչվում են մոլորակային :
• Ըստ վարկածներից մեկի ՝ գնդակի կայծակը բաղկացած է Ռիդբերգի նյութից  :

2009 թվականին Շտուտգարտի համալսարանի հետազոտողներին հաջողվեց ձեռք բերել Ռիդբերգյան մոլեկուլ )

Ռադիոաստղագիտություն

Ռիդբերգի աստղագիտության մեջ Ռիդբերգի ատոմների վերաբերյալ առաջին փորձարարական տվյալները ստացվել են 1964 թ.-ին Ռ.Ս. Սորոչենկոյի և այլոց կողմից ( FIAN ) 22 մետրանոց հայելիով ռադիոաստղադիտակում, որը նախատեսված է սանտիմետր հաճախականության տիրույթում տիեզերական օբյեկտների ճառագայթման ուսումնասիրության համար: Երբ աստղադիտակը կողմնորոշվել է դեպի Օմեգա միգամածությունը, այս միգամածությունից ռադիոհաղորդման սպեկտրում հայտնաբերվել է λ ≃ 3,4 см ալիքի երկարության արտանետման գիծ: Այս ալիքի երկարությունը համապատասխանում է ջրածնի ատոմի սպեկտրում Ռիդբերգի n′ = 91 և n = 90 վիճակների միջև անցմանը  :

Գրականություն

• Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. et al. Ռիդբերգի ատոմների սպեկտրոսկոպիա n ≅ 500- ում // Ֆիզ. Սբ. Տող 1987 թ. Հատոր 59 Էջ 26:
• Ֆրեյ MT Hill SB. Սմիթ Ք.Ա. Dunning FB, Fabrikant II- ի էլեկտրոն-մոլեկուլի ցրման ուսումնասիրությունները միկրոէլեկտրոն էլեկտրահաղորդման էներգիաներում, օգտագործելով շատ բարձր n-Rydberg ատոմներ // Ֆիզ. Սբ. Տող 1995 թ. Հատոր 75, թիվ 5: Էջ 810-813:
• Սորոչենկո Ռ. Լ., Սալոմոնովիչ ԱԷ Հսկա ատոմները տարածության մեջ // Բնություն: 1987. թիվ 11. էջ 82:
• Dalgarno A. Rydberg ատոմները աստղաֆիզիկայում // Ատոմների և մոլեկուլների ռիդբերգյան պետություններ. Պեր. անգլերենից / Խմբ. Ռ. Ստեբբինս, Ֆ. Դյունինգ: Մ. - Միր: 1985 S. 9.
• Smirnov B.M. Հուզված ատոմներ: Մ. ՝ Էներգոիզդատ, 1982. Չ. 6

Հղումներ

• Delone NB Rydberg ատոմներ // Soros ուսումնական հանդես, 1998, թիվ 4, էջ: 64-70-ին
• «Խտացրած Ռիդբերգի նյութը», Ե. ԵՎ Մանգին, Մ. ԵՎ Օժովան, Պ. Պ. Պոլուեկտով, հոդված «Բնություն» ամսագրի N1, 2001 թ.
• Ռիդբերգի ֆիզիկա, Նիկոլա Շիբալիչ և Չարլզ Ս Ադամս, IOP հրատարակչություն (2018)