Ридберговские атомы

Таким образом, в пучке атомов бария определенная доля атомов была возбуждена в состояния  с главным квантовым числом от 450 до 550. Пролетая через остаточный газ, эти атомы легко ионизировались при столкновениях с атомами  и молекулами газа. (Действительно, энергия связи электрона в  ридберговских атомах была меньше 10- 4 эВ при средней кинетической энергии атомарных частиц газа kТ ~ 10- 2 эВ.) Образованные ионы регистрировались электронным умножителем.

Типичный результат  этого эксперимента приведен на рис. 3. Наблюдаются максимумы в числе  образованных ионов, возникающие при  равенстве частоты излучения  второго лазера с частотой перехода из состояния 6s6p 1P1 в высоковозбужденные состояния. Абсолютизация частоты  излучения позволяла идентифицировать значения n, соответствующие различным максимумам. На рисунке видно, что при величине n = 525 ширина максимумов становится порядка расстояния между ними, а амплитуда максимумов уменьшается до уровня фона. Таким образом, в конкретных условиях проведения этого эксперимента достигнута максимальная величина n = 525.

Отметим, что, как  следует из формулы (6), максимальный размер ридберговских атомов, созданных в этом эксперименте, составляет величину r525 . 10- 2 мм.

Возникает естественный вопрос: каково предельное значение величины главного квантового числа ридберговского атома, который можно создать в лабораторном эксперименте? Очевидно, что принципиальным является лишь одно требование - ширина спектра лазерного излучения должна быть в несколько раз меньше расстояния между соседними ридберговскими состояниями. Данные практики говорят, что можно реализовать ширину спектра до нескольких герц. Из формулы (10) видно, что такая ширина позволяет выполнять указанное выше требование для ридберговских состояний с величиной n до ~104. Однако, как уже упоминалось выше, необходима еще и столь же высокая стабильность частоты лазера в течение времени, необходимого для проведения эксперимента. Но это уже чисто техническая задача. Во всяком случае число n = 1100 пока остается высшим лабораторным достижением [2].

Обратимся теперь к ридберговским атомам, которые были обнаружены в космическом пространстве. Исключительно малая плотность вещества в космическом пространстве является очевидным аргументом в пользу существования ридберговских атомов. Малая вероятность столкновений с другими атомарными частицами говорит в пользу малой вероятности столкновительной ионизации и тем самым большого времени жизни ридберговских атомов. Возможность образования ридберговских атомов за счет процесса электрон-ионной столкновительной рекомбинации, идущей по схеме

А+ + е- А* + "w,

в принципе не вызывала сомнений. В 1959 году были опубликованы расчеты Н.С. Кардашева (ГАИШ МГУ), предсказавшие исходя из данных о плотности ион ов водорода и электронов возможность существования ридберговских атомов в космическом пространстве с n . 100. Появление этих расчетов совпало с бурным развитием радиоастрономии и ориентировало экспериментаторов на подготовку опытов по поиску ридберговских атомов в космосе.

Первые экспериментальные  данные были получены в 1964 году Р.С. Сороченко и др. (ФИАН) на 22-метровом зеркальном радиотелескопе, созданном для исследования излучения космических объектов в сантиметровом диапазоне частот. При ориентации телескопа на туманность Омега в спектре радиоизлучения, идущего от этой туманности, была обнаружена линия излучения на длине волны l . . 3,4 см. Эта длина волны соответствует переходу между ридберговскими состояниями с n = 91 и n = = 90 в спектре атома водорода.

Осуществив такой  пионерский опыт, авторы считали необходимым  получить независимое подтверждение  космической природы наблюдаемой  линии излучения. Для этого они  провели сложный, но красивый и однозначный  контрольный опыт. Они регистрировали эту радиолинию периодически в течение  нескольких месяцев и обнаружили изменение абсолютной величины длины  волны в максимуме линии. Величина и знак этого изменения хорошо соответствовали расчетной величине доплеровского сдвига, возникающего от движения Земли по орбите вокруг Солнца! Таким образом, была убедительно доказана космическая природа этой линии излучения.

В том же 1964 году, а также в течение нескольких последующих лет на радиотелескопах  в России, Германии и США были обнаружены другие линии радиоизлучения атома водорода, соответствующие  переходам между ридберговскими состояниями с величиной главного квантового числа до n = 158.

Для поисков  ридберговских атомов с существенно большим значением n требовалось регистрировать спектры радиоизлучений не в сантиметровом, а в метровом диапазоне частот. В 1979 году на Харьковском крестообразном радиотелескопе, рассчитанном на длину волны в 10 м, были обнаружены линии поглощения излучения локального радиоисточника Кассиопея А на пути в космосе от этого источника к Земле. Оказалось, что эти линии поглощения соответствуют переходам между ридберговскими состояниями в спектре атома углерода с главными квантовыми числами от 600 до 732. На данный момент времени величина n = 732 является предельной для ридберговских атомов, обнаруженных в космическом пространстве.

Возникает вполне естественный вопрос: возможно ли существование  в космическом пространстве ридберговских атомов с существенно большей, чем n ~ 1000, величиной главного квантового числа? Очевидно, что для ответа на этот вопрос необходимо провести анализ обоих процессов: как процесса создания ридберговских атомов, так и процесса их гибели в космическом пространстве.

Анализ процесса создания ридберговских атомов в результате электрон-ионной рекомбинации по реакции (14) подтверждает возможность образования возбужденных состояний и с гораздо большей величиной n, чем n ~ 1000.

Анализ процесса гибели ридберговских атомов в результате их столкновений с другими атомарными частицами не дает оснований предполагать, что соударительное время жизни по мере увеличения n существенно уменьшается. Качественно дело в том, что, хотя по мере увеличения n энергия связи электрона в атоме уменьшается (см. формулу (9)) и тем самым ионизовать его легче, но одновременно увеличивается размер атома (см. формулу (6)), он становится более прозрачным для налетающей частицы (рис. 4). Налетающая атомарная частица взаимодействует не с ридберговским атомом как с целым (как частица взаимодействует с атомом, находящимся в основном состоянии), а раздельно с ядром (кором) атома и ридберговским электроном как со свободным электроном. Именно последнее взаимодействие и приводит к ионизации ридберговского атома и тем самым к его гибели. Экспериментальные данные подтверждают такую модель столкновения. Так, эффективное сечение столкновения ридберговского атома с молекулой азота совпадает с эффективным сечением рассеяния электронов этой молекулой [5]. Использование хорошо известных данных о рассеянии электронов показывает, что соударительные процессы в космосе не должны существенно уменьшать время жизни ридберговских атомов с n $ 1000.

Однако помимо частиц в космосе имеются и  поля, электрические и магнитные, а также различные излучения, которые могут приводить к  гибели ридберговских атомов. Анализ воздействия различных излучений показал, что существенную роль должно играть фоновое синхротронное (магнитно-тормозное) излучение. Оно возникает в космосе при движении электронов, имеющих релятивистские скорости, в магнитных полях. Под действием синхротронного излучения в мегагерцевом диапазоне частот могут возникать вынужденные резонансные переходы между ридберговскими состояниями с n $ 1000, приводящие к быстрой релаксации в состояния с меньшей энергией возбуждения. Таким образом, теоретический анализ процессов, происходящих в космическом пространстве с ридберговскими атомами, предсказывает, что хотя ридберговские атомы с n $ 1000 и могут образовываться, но время жизни таких атомов должно быть мало, так что зарегистрировать такие атомы невозможно. К сожалению, пока отсутствуют прямые эксперименты, подтверждающие или опровергающие эти предсказания теории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Имеется еще  много интересных вопросов, относящихся  к физике ридберговских состояний [5]. Объем статьи позволяет их лишь перечислить: это зависимость "атомного поля" от величины n, специфический характер штарковского сдвига и расщепления ридберговских состояний, использование ридберговских атомов в качестве детекторов излучения в ИК- и радиодиапазоне частот, существование и свойства ридберговских молекул, астрофизические данные, получаемые путем наблюдения ридберговских состояний и т.д.

Однако главная  цель статьи состоит в другом. Прочтя ее, читатель обратит внимание на возможность существования не только микроскопических атомов, а также и макроскопических атомов.

Закончим статью небольшой таблицей (табл. 1), иллюстрирующей качественное различие между микроскопическим атомом, находящимся в основном или  первых возбужденных состояниях (n = 2), и макроскопическим ридберговским атомом (n = 1000).

ЛИТЕРАТУРА

1. Neukamner J., Rinenberg H., Vietzke K. et al. Spectroscopy of Rydberg Atoms at n > 500 // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 59. P. 26.

2. Frey M.T., Hill S.B., Smith K.A., Dunning F.B., Fabrikant I.I. Studies of Electron-Molecule Scattering at Microelectronvolt Energies Using Very-High-n Rydberg Atoms // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 75, № 5. P. 810-813.

3. Сороченко Р.Л., Саломонович А.Е. Гигантские атомы в космосе // Природа. 1987. № 11. С. 82.

4. Далгарно А. Ридберговские атомы в астрофизике // Ридберговские состояния атомов и молекул: Пер. с англ. / Под ред. Р. Стеббинса, Ф. Даннинга. М.: Мир, 1985. С. 9.

5. Смирнов Б.М.  Возбужденные атомы. М.: Энергоиздат, 1982. Гл. 6.