里德伯原子

里德伯原子（Rydberg atom）是指价电子被激发到高 激发态 能级 结构由里德伯能级公式描述的原子。俗称巨原子或胖原子。里德伯原子具有许多奇异的特性，里德伯原子半径大， 结合能 小，寿命长，因此已被当作 探针用来进行基础研究和多方面的应用，并已逐步发展成一门独立的学科分支。

里德伯原子的价电子离原子实很远，能级结构类似于氢原子。有关高激发态的研究是原子物理学的新课题。

理论诠释

处在高激发态的氢原子是最简单的里德伯原子，它的一个电子通过库仑吸引力与质子相结合，产 生一系列的 能级 ：

=－ /

式中 R 是氢原子的 里德伯 常数 ， h 为普朗克常数， c 为 光速 ， n 是主量子数， n =1,2,3,…等整数。能量为 E 的里德伯原子的大小用电子绕核运动的平均半径〈 r 〉来描述，

〈 〉 =

这里a是玻尔半径（见 原子结构 ）。里德伯原子的寿命 随 而增加。

其他的原子，甚至分子也可产生里德伯态，只须用 代替上式中的， = － ，称为有效 量子数 ，称为量子数亏损。如一个 =60的里德伯原子，它的半径〈 〉≈190.0纳米，相当于一个病毒的大小，比 基态 的原子大了三个数量级。这时它的 结合能 约为0.0038电子伏，要比在室温下粒子的热平动能（约0.025电子伏）小得多，而寿命却比低 激发态 寿命（10秒）长了3个数量级（10秒）。

原子的光谱一般在真空紫外、紫外及 可见光 区，而里德伯原子的高激发态间的跃迁可产生红外、 微波 及 射频 波，如 n =630与640里德伯态间的跃迁产生26兆赫的射电波。如此巨大的原子很容易受到碰撞的影响而退激发，自然界只在气体密度极稀薄的 宇宙 空间才能观察到。

产生的方法

产生里德伯原子的方法很多，如激发与复合过程。光吸收是最简单的激发方式，电子碰撞激发是放电管中的最有效过程，在 天体 及实验室等离子体中、原子之间、原子与离子之间在高温下的碰撞激发以及电子与离子的复合等也可产生里德伯原子。用调频激光作多光子吸收是产生里德伯原子最有效的方法，具有选择激发的优点。

特性

里德伯原子半径大、 结合能 小，很容易受到外加 电磁场 以及与其他原子、分子的碰撞等的影响 而改变其性能。如所有原子处于高 激发态 时，外 磁场 作用下都成为抗磁性的；外 电场 作用下则具有很强的偶极矩，其电子电荷沿电场方向呈 雪茄 状分布长达数千埃，但寿命只有10秒。高密度环境下， 里德伯 原子的电子和核之间的库仑势，使充满于其间的大量基态原子和分子发生极化，此极化势使里德伯原子能级发生 红移 ，即里德伯原子与所包含的原子、分子被库仑势加上极化势耦合成一个巨分子复合体。

实际应用

里德伯原子的特殊性能已被用作测量 微波 、射电波及检验 电磁场 的探测器，用其 斯塔克效应 可使金属原子作为磁流体中产生电流的催化剂。里德伯原子的光谱被当作探针来检测 天体 及实验室等离子体的密度与温度。在高密度气体中的里德伯原子及分子还是新的激光工作物质。