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

Արտաքին 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)