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Ausblick

Rydberg-Atome

Nach HEISENBERG verliert der exakte Bahnbegriff in der Mikrophysik seinen Sinn. Man kann nur Räume angeben, in denen sich die negative Ladung der Hülle mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit befindet (Orbitale). Insofern ist das bohrsche Bild vom Atom überholt.

Durch neue Techniken (insbesondere die Lasertechnik) gelingt es, ein einzelnes Atom in einen sehr hohen Anregungszustand zu versetzen (z.B. \(n = 100\)). Man bezeichnet Atome in diesen hochangeregten Zuständen als Rydberg-Atome. Bei Rydberg-Atomen kann das Elektron in guter Näherung als klassisches Teilchen behandelt werden, das in relativ großer Entfernung den Kern umkreist (Planetenmodell). Die bohrsche Theorie kann auf Rydberg-Atome in guter Näherung angewandt werden.

Einige Besonderheiten der Rydberg-Atome:

Der bohrsche Radius wächst proportional zu \(n^2\). Für \(n = 100\) ergibt sich ein Hüllendurchmesser des Rydberg-Atoms von ca. \(0,5 \cdot {10^{ - 6}}{\rm{m}}\). Dieser Durchmesser ist ca. 10000mal größer als der eines üblichen Atoms von ca. \({10^{ - 10}}{\rm{m}}\).

Die Energiedifferenz zwischen benachbarten Energieniveaus nimmt grob mit \(\frac{1}{{{n^3}}}\) ab (vgl. bohrsches Korrespondenzprinzip). Für den Übergang von \(n =101\) nach \(n = 100\) ergibt sich \(\Delta E = 0,03{\rm{meV}}\). Die bei diesem Übergang emittierte Strahlung liegt im Mikrowellenbereich.

Die Lebensdauer hochangeregter Zustände in Rydberg-Atomen beträgt einige Millisekunden (die Lebensdauer von niedrig angeregten Zuständen dagegen nur ca. \({10^{ - 8}}{\rm{s}}\)).

Die Bindungsenergie des Elektrons in Rydberg-Zuständen ist wegen
\[{E_{{\rm{ges}}{\rm{,n}}}} =  - R \cdot h \cdot c \cdot \frac{{{Z^2}}}{{{n^2}}} =  - 13,6{\rm{eV}} \cdot \frac{{{Z^2}}}{{{n^2}}}\]
sehr klein. Um die Ionisation des Rydberg-Atoms zu verhindern muss es vor Stößen geschützt werden. Man "konserviert" daher solche Atome z.B. bei tiefen Temperaturen in sogenannten Atomfallen (spezielle Feldanordnung, in der einzelne Atome eingefangen werden können).

Das Studium der Rydberg-Atome ist insofern interessant als durch sie das bohrsche Korrespondenzprinzip, nach dem für große Quantenzahlen die quantenmechanische Beschreibung eines Atoms in die klassische Beschreibung übergeht, getestet werden kann. Vergleichen Sie hierzu auch den Artikel Gigantische Rydberg-Moleküle - von der Theorie zum Experiment und die Musteraufgaben über Rydberg-Atome.