Atomy rydbergowskie

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Atomy rydbergowskieatomy, w których przynajmniej jeden elektron został wzbudzony do bardzo wysokiego poziomu energetycznego. Nazwę swą wzięły od Johannesa Rydberga, szwedzkiego fizyka, który zajmował się badaniem emisji promieniowania przez atomy.

Długość fali – najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali – zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.Przestrzeń kosmiczna – przestrzeń poza obszarem ziemskiej atmosfery. Za granicę pomiędzy atmosferą a przestrzenią kosmiczną przyjmuje się umownie wysokość 100 km nad powierzchnią Ziemi, gdzie przebiega umowna linia Kármána. Ściśle wytyczonej granicy między przestrzenią powietrzną a przestrzenią kosmiczną nie ma. Fizycy przyjmują 80–100 km.

Atomy rydbergowskie wykazują nadzwyczajne właściwości:

  • osiągają rozmiary rzędu m
  • przebywają w stanie wzbudzonym w makroskopowych czasach rzędu 1 sekundy
  • są silnie polaryzowane, a nawet jonizowane przez słabe pola elektryczne lub magnetyczne
  • ponieważ wzbudzony elektron znajduje się bardzo daleko od jądra i pozostałych elektronów atomu, pole elektryczne, w którym porusza się elektron, może być traktowane jakby było wytworzone przez punktowy ładunek równy ładunkowi jądra zmniejszonego o ładunek pozostałych elektronów (ekranowane). Z tego powodu, taki elektron zachowuje się jakby krążył wokół jądra atomu wodoru, ale o innym ładunku.
  • Zgodnie z modelem Bohra promień orbity elektronu jest proporcjonalny do kwadratu głównej liczby kwantowej. Tłumaczy to duże rozmiary tych atomów, jak i ich reakcję na zewnętrzne pole (kiedy elektron jest daleko od jądra, łatwiej o to by siła ich oddziaływania była mniejsza od siły oddziaływania z zewnętrznym polem). Łatwo o jonizację także w wyniku zderzeń, ponieważ energia wiązania elektronu z jądrem jest bardzo mała. Różnica energii elektronów znajdujących się na kolejnych poziomach jest coraz mniejsza. Atomy rydbergowskie przebywają w stanie wzbudzonym tak długo, m.in. dlatego, że prawdopodobieństwo przejścia między poziomami jest proporcjonalne do trzeciej potęgi różnicy energii między tymi poziomami.

    Emisja promieniowania to wysyłanie przez wzbudzony układ fizyczny (np. atom, jądro atomowe, ciało makroskopowe) energii w postaci promieniowania zarówno fal (np. światła, fal radiowych, dźwięku), jak i korpuskularnego (np. elektronów, cząstek α, fotonów).Energia wiązania – energia potrzebna do rozdzielenia układu na jego elementy składowe i oddalenia ich od siebie tak, by przestały ze sobą oddziaływać.

    W zewnętrznym polu elektrycznym na elektron działa dodatkowa stała siła. Pochodzi od niej moment siły (siła kulombowska jest prostopadła do wektora wodzącego, więc jej moment jest równy 0). Powoduje to oscylacje elektronu, objawiające się periodycznym zmienianiem momentu pędu. Okazuje się, że częstość takich oscylacji obliczona z modelu klasycznego jest zgodna z obliczeniami kwantowymi. Jest to jeden z przykładów wskazujących na ciągłość praw mechaniki klasycznej i kwantowej. Także coraz „gęstsze” poziomy energetyczne podawane są jako przykład tej ciągłości, gdyż stają się niemal ciągłe (tak jak w mechanice klasycznej).

    Pojęcie liczby kwantowej pojawiło się w fizyce wraz z odkryciem mechaniki kwantowej. Okazało się, że właściwie wszystkie wielkości fizyczne mierzone w mikroświecie atomów i cząsteczek podlegają zjawisku kwantowania, tzn. mogą przyjmować tylko pewne ściśle określone wartości. Na przykład elektrony w atomie znajdują się na ściśle określonych orbitach i mogą znajdować się tylko tam, z dokładnością określoną przez zasadę nieoznaczoności. Z drugiej strony każdej orbicie odpowiada pewna energia. Bliższe badania pokazały, że w podobny sposób zachowują się także inne wielkości np. pęd, moment pędu czy moment magnetyczny (kwantowaniu podlega tu nie tylko wartość, ale i położenie wektora w przestrzeni albo jego rzutu na wybraną oś). Wobec takiego stanu rzeczy naturalnym pomysłem było po prostu ponumerowanie wszystkich możliwych wartości np. energii czy momentu pędu. Te numery to właśnie liczby kwantowe.Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 1, niemetal z bloku s układu okresowego. Jego izotop, prot, jest najprostszym możliwym atomem, zbudowanym z jednego protonu i jednego elektronu.

    Wytwarzanie i wykrywanie[ | edytuj kod]

    Efektywny potencjał elektryczny wokół jądra atomu rydbegowskiego w zewnętrznym jednorodnym polu elektrycznym.

    Pierwotnie atomy rydbergowskie otrzymywano w zderzeniach. Jednak tak wzbudzone atomy mają różne energie i trudno jest otrzymać grupę atomów wzbudzonych do tego samego poziomu energetycznego. Przykładowe zderzenia mogące doprowadzić do powstania atomów rydbergowskich to:

    Szwecja, Królestwo Szwecji (Sverige, Konungariket Sverige) – państwo w Europie Północnej, zaliczane do państw skandynawskich. Szwecja jest członkiem Unii Europejskiej od 1995 roku. Graniczy z Norwegią, Finlandią i Danią.Jon – atom lub grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie.
    – zderzenie atomu ze swobodnym elektronem, – zderzenie atomu ze zjonizowanym atomem.

    Kontrola nad stanem atomu jest bardzo ważna dla ich badań. Obecnie, aby to uzyskać, atomy rydbergowskie wytwarza się krzyżując wiązki atomów z jedną lub kilkoma wiązkami światła laserowego. Jeśli energia kwantów światła, jest równa różnicy energii pomiędzy stanem podstawowym a jednym ze stanów wzbudzonych, elektron przechodzi do tego stanu wzbudzonego. Dlatego używa się wąskopasmowych laserów przestrajanych (np. laserów barwnikowych). Zmieniając długość fali emitowanej przez lasery można wzbudzić elektron do wybranego poziomu energii.

    Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca stan układu fizycznego (materii) jako jego zdolność do wykonania pracy.Pole elektryczne – stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna.

    Atomy rydbergowskie wykrywa się pośrednio jako jony, po ich zjonizowaniu w polu elektrycznym.

    Zastosowania[ | edytuj kod]

    W przestrzeni kosmicznej wykryto promieniowanie atomów wzbudzonych nawet do poziomu Obserwuje się je tam ponieważ w kosmosie atomy przebywają w stanie wzbudzonym znacznie dłużej. Dzieje się tak, gdyż próżnia w kosmosie jest o rzędy wielkości lepsza od próżni otrzymywanych w laboratoriach (w kosmosie panuje mniejsze ciśnienie). Do zderzeń między atomami w przestrzeni kosmicznej dochodzi więc bardzo rzadko, dzięki czemu prawdopodobieństwo zjonizowania atomu jest małe.

    Próżnia – w rozumieniu tradycyjnym pojęcie równoważne pustej przestrzeni. We współczesnej fizyce, technice oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni ma zupełnie odmienne konotacje.Johannes Robert Rydberg (ur. 8 listopada 1854, zm. 28 grudnia 1919 w Lund) – szwedzki fizyk. Znany jest głównie z podania tzw. wzoru Rydberga opisującego energię fotonów (lub długość fali w falowym ujęciu światła) emitowanych przy przejściach elektronów, znajdujących się w atomie, między różnymi poziomami energetycznymi. Stała pojawiająca się w tym wzorze zwana jest stałą Rydberga. Istnieje także jednostka energii o nazwie rydberg. Atomy z elektronami wzbudzonymi do wysokich poziomów energetycznych nazywane są atomami rydbergowskimi. Istnieje także krater na Księżycu nazwany na jego cześć Rydberg.

    W plazmie często powstają atomy rydbergowskie w wyniku przechwycenia elektronu przez jon. Jeśli elektron miał małą energię, tak powstały stan wzbudzony jest dość stabilny, natomiast w przypadku energetycznych elektronów często powstają atomy rydbergowskie, które natychmiast ulegają jonizacji. Dzięki swoim własnościom atomy takie wykorzystywane są do badania własności plazmy.

    Poziom energetyczny - energia stanu dostępnego dla cząstki. Poziom może być zdegenerowany, jeśli dana wartość energii cechuje więcej niż jeden stan kwantowy.Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, w którym znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

    Atomy rydbergowskie wykazują silny diamagnetyzm, z powodu dużych promieni orbit i małych energii wiązania. Dlatego też, w obecności pól magnetycznych, efekty niemożliwe do zaobserwowania w normalnych atomach, stają się w tym przypadku znaczące.

    Bibliografia[ | edytuj kod]

  • Haken, Herman, Atomy i kwanty: wprowadzenie do współczesnej spektroskopii atomowej.




  • Warto wiedzieć że... beta

    Ciśnienie – wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność:
    Wektor wodzący – dla danego punktu A to wektor zaczepiony w początku układu współrzędnych i o końcu w punkcie A, czyli np. w układzie kartezjańskim:
    Model budowy atomu Bohra – model atomu wodoru autorstwa Nielsa Bohra. Bohr przyjął wprowadzony przez Ernesta Rutherforda model atomu, według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany przez jądro siłami elektrostatycznymi. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu".
    Jądro atomowe – konglomerat cząstek elementarnych będący centralną częścią atomu zbudowany z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do wyzwolenia ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie może stanowić zagrożenie.
    Moment siły (moment obrotowy) siły F względem punktu O – iloczyn wektorowy promienia wodzącego r, o początku w punkcie O i końcu w punkcie przyłożenia siły, oraz siły F:
    Pole jednorodne - pole fizyczne, w którego wszystkich punktach natężenie pola jest takie samo, czyli ma stałą wartość, kierunek i zwrot. Linie sił w takim polu są prostymi równoległymi. Jeżeli polem tym jest pole sił, to siła działająca na ciała, wynikająca z obecności pola, jest stała w całym obszarze występowania pola.
    Laser – urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od (ang.) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera jest spójne, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu (zob. laser femtosekundowy).

    Reklama