Rydberg atomu

Rydberg atomu çok yüksek temel nicem sayılı bir veya iki elektrona sahip bir uyarılmış atomdur Bu atomlar elektrik ve manyetik alana abartılı tepkiler vermeyi de içinde barındıran, uzun bozunma devri ve yaklaşık elektron dalgafonksiyonları, bazı şartlar altında çekirdekler etrafındaki elektronların klasik yörüngeleri gibi kendilerine has birçok özelliğe sahiptir. Çekirdek elektronları dış elektronları çekirdeğin elektrik alanından kalkanlar, öyle ki belirli bir mesafeden hidrojen atomundaki bir elektronun tecrübe ettiği gibi elektrik potansiyeli belirleyicidir.

Rydberg Atomunun neden bu şekilde kendine has özellikleri olduğu artık gayet açıktır: yörünge yarıçapı n2 ile şekillenir (n = 137 durumundaki hidrojen ~1 µm atomik yarıçapa sahiptir) ve geometrik kesit n4 ile şekillenir. Rydberg Atomu gevşek bağ değerlik elektronları ile oldukça geniş olduğundan dış alanların çarpışmalarıyla kolayca uyarılabilir ya da iyonize edilebilir.

Rydberg elektronunun bağ enerjisi 1/r ile orantılı olduğu için ve 1/n2 ile azaldığından, enerji seviyesi boşluklama 1/n3 ile azalarak ilk iyonlaşma enerjisinde sürekli daha yakın boşluk seviyeleri yakınsanmasına sebebiyet verir. Bu yakınca boşluklanmış Rydber durumları, Rydberg serileri olarak adlandırılır. Figür 1 lityumun yörüngesel açısal döndürümünün en düşük üç enerji seviyesini gösterir.

Raydberd serilerinin vardılığı ilk kez 1885'te Johann Balmer'in atomik hidrojendeki geçişle ilişkili ışığın dalgaboyu için basit deneysel formülü keşfi ile gösterilmiştir. Üç yıl sonra İsveçli fizikçi Johannes Rydberg Balmer formülünün Rydberg formülü olarak bilinen daha genel ve sezgisel bir şeklini sundu. Bu formül çok daha yakın boşluklanmış enerji seviyelerinin sınırlı bir alandaki yakınsamasının sonsuz serileri olduğunu göstermiştir.

Bu seriler Niels Bohr ve onun ayrık enerji seviyelerinin gözlemlenmesini sağlayan açısal döndürümün nicelenmiş değerli Hidrojen atomu yarı klasik modeli ile niteliksel olarak 1913'te açıklanmıştır. Gözlenen tayfın tamamen niteliksek türetimi 1926'da Werner Heisenberg ve diğerleri tarafından nicem mekaniğinde yapılan gelişmeler sayesinde Wolfgang Pauli tarafından 1926'da türetilmiştir.

Hidrojen benzeri atomların tek gerçek sabit durumu temel durum n = 1'dir. Rydberg durumları çalışması temel durum atomlarını geniş bir n değeri ile uyarmak için güvenilir bir teknik gerektirir.

Yüksek değerlik elektron bağ enerjili atomlar için (yüksek ilk iyonlaşma enerjisine eşittir) Rydberg serilerinin uyarılmış halleri alışılagelmiş lazer sistemleri ile erişilmezdir. İlk çarpımsal uyarım final durumunu seçmek için optik uyarıma izin veren bir enerji düşüşü sağlayabilir. İlk adımın geniş menzilli ortalama durumları uyarabiliyor olmasına rağmen optik uyarım işleminin doğal hassasiyeti lazer ışınlarının sadece seçilmiş son duruma uyarılan belirli bir durumdaki belirli alt atomlarla etkileşime girebileceğini ifade eder.

Dış elektron tarafından görülen etkili gerilim benzerliği hidrojen gerilimine Rydberg durumlarının özelliklerini tanımlar ve rastlantısal ilke sınırlamalarında elektron dalgafonksiyonlarını neden klasik yörüngelere yaklaşık olduğunu açıklar. Diğer bir deyişle, elektronun yörüngesi güneş sistemindeki gezegenlerin yörüngelerine benzer. Modası geçmiş ancak görsel olarak kullanışlı olan Bohr ve Rutherfor atom modelleri göstermek için kullanılır.

Eğer ki dış elektron iç elektron kabuğunu delerse, daha çok çekirdek yükü görür ve daha çok kuvvet hisseder. Genel olarak potansiyel enerji değişimi hesaplaması kolay değildir ve iyon çekirdeğin geometrik bilgisi temel alınmalıdır.

Yüksek yörüngesel açısal döndürümlü Rydberg durumlarının uzun ömürleri dalga fonksiyonlarının örtünümü cinsinden açıklanabilir. Yüksek l durumundaki bir elektronun dalgafonksiyonu (yüksek açısal döndürüm,dairesel yörünge) iç elektronların dalgafonksiyonları ile küçük bir örtünüme sahiptir ve bu yüzden göreceli tedirgindir.

Eğerki bir ikinci elektron ni durumuna uyarılmışsa , enerjik açıdan dış elektron no durumuna yaklaşır, böylece dalga fonksiyonu neredeyse ilk durumunki kadar genişler.(bir çift Rydber durumu). Bu ni noa yaklaştıkça görünür ve iki elektronun yörünge boyutlarının alakalanmasına yol açar; bu durum çoğu zaman dairesel münasebet olarak adlandırılır. Bir elektron-elektron itme terimi atomik Hamiltonian'da bulunmalıdır.

İyon çekirdeğin kutuplaşması iki dış elektronun hareketli arasında bir açısal münasebete sebebp olan eşyönsüz bir gerilim oluşturur. Bu küresel olmayan simetrik gerilimden kaynaklı bir medcerizsel kilit etkisi olarak düşünülebilir. Bir çekirdek kutuplaşma terimi atomik Hamiltonian'da bulunmalıdır.

Düşük açısal döndürüm durumundaki bir dış elektronun dalga fonksiyonu iç elektron kabuklarında ve çekirdeğin tam yüküyle yerelleştirilir. Figür 3 düşük l durumlarının iyon çekirdeği gerilimsel olarak delen taneciğe yakın geçişini gösteren bir elektron yörüngesindeki açısal döndürüm durumlarının yarı klasik etkileşimlerini gösterir. Bir çekirde delimi terimi Hamiltonian'da bulunmalıdır.

Hidrojen atomunda saf 1/r Coulomb gerilim figür 4'te gösterildiği gibi gerçek çaprazlama ile sonuçlanan n-çoğalımlarından Stark durumları ile eş olurturmaz. Potansiyel enerjideki ek terimlerin varlığı lityum için Figür 5.'te gösterilen kaçınılmış çaprazlamalarda sonuçlanan eşlemeye yol açar.

Rydberg atomlarının büyük boyutları ve düşük bağ enerjileri yüksek mıknatıssal duyarlılığa sebep olur, Χ. Çok geniş mıknatısiten itmeleri uygulayan  Rydberg atomlarında temel halde etkilerin belirlenmesi imkânsızdır çünkü mıknatısitim etkileri yörünge alanıyla ölçeklenir ve alan yarıçapın karesiyle orantılıdır, (A ∝ n4).

Elektronların ve pozitif iyonların tekrar birleştirilmesinden ötürü Rydberd atomları sıkyükün içinde bolca oluşur. Yüksek kinetik enerjili elektronların ve pozitifi iyonların tekrar birleştirilmesi genelde kendiliğinden iyonlaştırıcı Rydberd durumlarını oluşturken düşük enerjili tekrar birleştirim makul durağan Rydberg atomlarıyla sonuçlanır. Rydberg atomlarının geniş boyları, tedirginliğe duyarlılıkları ve elektrik ve manyetik alanlar tarafıntan iyonlaştırılmaları sıkyükünün özelliklerini belirlemek için önemli birer etkendir.

Rydberg atomlarının yoğunlaşmaları uzun ömürlü salkımlarda gözlenen Rydberg maddesini oluşturur. Salkımların uzun ömürlü olmasına sebebp olan birleşik değerlik elektronları tarafından yoğunlaşmada oluşturulan düzensiz elektron sıvısındaki değişim münasebeti etkileri tarafından Rydberg maddesindeki uyarımsızlık büyük ölçüde engellenmiştir.

Rydberg atomlarının yıldızlararası uzayda yaygın ve dünyadan gözlenebilir olması tavsiye edilmiştir. Yıldızlararası gaz bulutlarının yoğunlukları çoğu büyüklük sıralamasında dünya üzerindeki en iyi vakum uygulamarından bile daha düşük olduğu için Rydberg durumları çarpışmalar tarafından yok edilmeden uzun bir süre sürekliliği koruyabilir.

Büyük boylarından dolayı, Rydberg atomları çok büyük elektrik çiftkutup döndürümleri segileyebilir. Tedirginlik teorisi kullanılarak yapılan hesaplamalar iki yakın Rydberg atomu arasındaki sert etkileşimlerde sonuçlandığını gösterir. Göreceli uzun ömürleri ile birleştirilen etkileşimlerin uyumlu kontrolleri onları nicem bilgisayarlarını anlamak için uygun birer aday haline getirir. Bir iki-qubit geçit deneysel olarak ulaşılmamıştır ancak iki belirgin atom arasındaki ve mesoskopik örneklerindeki tümleşik uyarımların gözlemleri ve şartlı canlılıklar rapor edilmiştir. Sert etkileşimli Rydberg atomları ayrıca onları ilginç bir çalışma haline getiren nicem kritik davranışın bir özelliğidir.

Basit bir 1/r potansiyel kapalı bir Kepler eliptik yörüngede sonuçlanır. Dış bir elektrik alanın varlığında Raydberg atomları kendilerini alanın tedirginliğine karşı çok duyarlı hale getiren çok büyük elektrik çiftkutup döndürümleri edinebilirler. Figür 6 atomik fizikte Stark alanı olarak bilinen bir dış elektrik alanın potansiyelin geometrisini nasıl değiştirdiğinin uygulamasını gösterir, önemli ölçüde elektronun davranışını değiştirir. Kuvvet hiçbir zaman konum vektörüne paralel olmadığı için Coulombik gerilim hiçbir buru uygulamaz.

With the application of a static electric field, the electron feels a continuously changing torque. The resulting trajectory becomes progressively more distorted over time, durgunyük elektik alanının bir uygulaması ile elektron sürekli değişen bir buru hisseder. Sonuç gezingesi sürekli olarak bir bozunuma uğrar, anlık olarak tam menzilli açısal devinim L = LMAX'tan sabit bir çizgi L=0' a L = -LMAX'la zıt duyudaki ilk yörüngeye ilerler.

Açısal devinimdeki salınımın zaman sürekliliği (figür 7 gezinimi tamamlayacak zaman '), Rydberg atomunun klasik doğasının gösterildiği dalgafonksiyonunu ilk durumuna döndüren nicem mekaniksel tahmin edilmiş sürekliliği ile neredeyse tamamen uyar.