imported>Bleckneuhaus: /* Kennzeichen */ "elektronische" Anregung kennzeichnet den Zustand, nicht den Anregungsmechanismus

2025-06-30T15:03:11Z

Kennzeichen: "elektronische" Anregung kennzeichnet den Zustand, nicht den Anregungsmechanismus

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Ein '''Rydberg-Zustand''' (nach dem schwedischen Physiker [[Johannes Rydberg]]) ist ein [[angeregter Zustand]] eines [[Atom]]s, [[Ion]]s oder [[Molekül]]s, bei dem das äußerste [[Elektron]] wesentlich weiter vom Zentrum entfernt ist als im [[Grundzustand]]. Ein Atom in solchem Zustand wird als '''Rydberg-Atom''' bezeichnet und ist schon im einfachsten quantenmechanischen Ansatz für das [[Wasserstoffproblem]] gut beschrieben.

In Übereinstimmung mit dem [[Korrespondenzprinzip]] geht bei großen [[Quantenzahl]]en die quantenmechanische Beschreibung des Rydberg-Atoms in die klassische Beschreibung über. Tatsächlich kann das Elektron hier in guter Näherung als klassisches [[Teilchen]] behandelt werden, wie es beim [[Bohrsches Atommodell|Bohrschen Atommodell]] oder beim [[Bohr-Sommerfeldsches Atommodell|Bohr-Sommerfeldschen Atommodell]] zugrunde gelegt wird.

Aufgrund ihrer im Vergleich zu gewöhnlichen Atomen großen Ausdehnung und großen Anzahl an eng benachbarten oder (fast) entarteten [[Energieniveau]]s reagieren Rydberg-Atome besonders empfindlich auf elektrische und magnetische Felder. So zeigt ein Rydberg-Atom, das durch einen verspiegelten Hohlraum hindurchfliegt, in dem ein einziges Photon gefangen ist, Veränderungen seiner Wellenfunktion. Damit kann z. B. die Anwesenheit des Photons nachgewiesen werden, ohne es weiter zu beeinflussen (sog. [[Quantum Nondemolition Measurement|quantum non demolition]]-Messung). Für die Entwicklung von darauf basierenden experimentellen Methoden von sonst unerreichter Empfindlichkeit und Genauigkeit erhielten [[Serge Haroche]] und [[David Wineland]] den [[Liste der Nobelpreisträger für Physik#2010er Jahre|Nobelpreis für Physik 2012]].

== Kennzeichen ==
Vom Rydberg-Zustand spricht man, wenn ein Atom oder Molekül so angeregt ist, dass ein Elektron eine [[Hauptquantenzahl]] <math>n</math> hat, die weit über dem bei Atomen im Grundzustand vorkommenden Maximalwert <math>n\mathord =7</math> liegt. Hat das Elektron auch einen entsprechend hohen Drehimpuls (maximale Drehimpulsquantenzahl <math>l\mathord = n\mathord -1</math>), ist seine [[Aufenthaltswahrscheinlichkeit]] in der Nähe des [[Atomkern|Kerns]] und gegebenenfalls der anderen Elektronen des Atoms sehr gering, so dass diese zusammen sehr genau wie eine einzige Punktladung wirken und weitere Feinheiten der Wechselwirkungen mit dem Kern und den anderen Elektronen eine sehr geringe Rolle spielen. Daher entsprechen Rydberg-Zustände aller Atomarten sehr genau den einfachen Verhältnissen beim [[Wasserstoffatom]]. Insbesondere ist die Energie (bei insgesamt neutralen Atomen) gut durch <math>E_n\mathord = - \tfrac{13,6\,\mathrm{eV}}{n^2}</math> gegeben und bei großen Werten des Bahndrehimpulses hinsichtlich <math>l</math> entartet.

Die Energie eines Elektrons in einem Rydbergzustand liegt nur unwesentlich unter dem [[Vakuumniveau]] und ist damit wesentlich höher als die Energie von weiter innen liegenden Elektronen, die eine größere [[Bindungsenergie #Atomphysik|Bindungsenergie]] haben. Das bedeutet aber auch, dass das entsprechende Elektron sehr einfach vom Atom getrennt ([[Ionisierung|ionisiert]]) werden kann.

Diese hochliegenden [[Energieniveau]]s können durch [[Angeregter Zustand|Anregung]], z. B. durch [[Strahlung]] passender [[Wellenlänge]], besetzt werden. Rydberg-Zustände können aber auch entstehen, wenn ein Ion ein Elektron einfängt, beispielsweise, wenn das Ion nahe an eine Oberfläche kommt und ein Elektron von dort auf das Ion übertritt.

Beim Rydberg-Zustand eines Moleküls ist das äußerste Elektron in einem [[Molekülorbital]], welches aus [[Atomorbital]]en aufgebaut ist, die nicht zur [[Valenzschale]] des Moleküls gehören.

== Größenverhältnisse ==
Bei Elektronen in weit vom Kern entfernten Rydbergzuständen können viele Eigenschaften durch die [[klassische Physik]] oder im [[Bohrsches Atommodell|Bohrschen Atommodell]] beschrieben werden. Daher gilt für den Abstand Proton-Elektron bei einem Rydberg-[[Wasserstoffatom]]:

:<math> r_n = n^2 \cdot a_0 = n^2 \cdot \frac{4 \pi \varepsilon_0 \hbar^2}{m_{e}e^2} = n^2 \cdot 52{,}9 \cdot 10^{-12}\,\mathrm{m}</math>

mit dem [[Bohrscher Atomradius|Bohrschen Atomradius]] <math>a_0</math>.

Dadurch werden Rydbergatome sehr groß, z. B. für <math>n=100</math>:

:<math> r_{100} = 10^4 \cdot a_0 = 0{,}529 \cdot 10^{-6}\,\mathrm{m}.</math>

Die größten erreichten Quantenzahlen liegen bei <math>n \approx 500</math> mit [[Atomdurchmesser]]n von etwa 25 Mikrometer.

== Bindungsenergien ==
Je weiter das Elektron vom [[Proton]] entfernt ist, desto schwächer ist es gebunden bzw. desto kleiner ist die notwendige Ablöseenergie <math> E_n</math>:

:<math> E_n = - \, \frac{E_R}{n^2} = - \, \frac{13{,}6 \ \mathrm{eV}}{n^2}</math>

mit der [[Rydberg-Energie]] <math> E_R.</math>

Daraus folgt, dass bei <math>n=100</math> bereits [[thermische Energie]]n ausreichen, um das Elektron endgültig abzutrennen. (Die [[Boltzmann-Konstante]] beträgt 86 μeV/K. ''E''<sub>100</sub> entspricht mit 1,36 meV demnach einer Temperatur von 16 K.) Aus diesem Grund kann man so hoch angeregte Atome nur im [[Hochvakuum]] herstellen und „aufbewahren“. Sie entstehen auf natürliche Weise in den obersten Schichten der [[Erdatmosphäre|Atmosphäre der Erde]] oder der [[Atmosphäre (Astronomie)|von Sternen]].

== Verweildauer ==
Rydbergatome sind klassische Beispiele für eine [[Besetzungsinversion]], weil die meisten oder sogar alle tieferen Zustände leer sind. Jedoch kann die Lebensdauer dieses Zustands groß sein, wenn es keine Zusammenstöße mit anderen Atomen gibt und der Bahndrehimpuls des Elektrons <math>l\mathord=n\mathord-1</math> maximal ist. Das Elektron kann seine [[Bahndrehimpulsquantenzahl]] durch Emission eines Photons nur um 1 verkleinern und muss daher auf die nächsttiefere [[Elektronenschale|Schale]] mit der Quantenzahl <math>n\mathord-1</math> springen. Der Energieunterschied <math>E_{n-1} - E_{n}</math> ist aber so gering, dass ein extrem langwelliges Photon erzeugt werden müsste, was stark behindert ist. Daher wurden die Spektrallinien von Rydbergatomen zuerst in stark verdünnten Sternatmosphären oder interstellaren Gasen entdeckt, wo die Atome während einer genügend langen Zeitdauer nicht mit einem anderen Atom zusammenstoßen.

== Beispiel ==
Im Wasserstoffatom ist die 1s-Schale die Valenzschale. Für das H<sub>2</sub>-Molekül lassen sich aus den 1s-Atomorbitalen der beiden Atome die Molekülorbitale <math>\sigma</math> und <math>\sigma *</math> konstruieren. Jedoch lassen sich auch aus den im Atom unbesetzten 2s-, 2p-, 3s-, ...-Atomorbitalen
derartige Molekülorbitale aufbauen, die dann als Rydberg-Zustände bezeichnet werden.

Als zirkuläre Rydberg-Atome (circular Rydberg Atom) werden Rydberg-Atome (Hauptquantenzahl <math>n \geq 10</math>) mit maximalem Wert des Bahndrehimpulses <math>l</math> und maximalem Wert <math>m</math> von dessen Projektion auf eine Quantisierungsachse (magnetische Quantenzahl) genannt. Die Atome sind quasiklassisch, die Wellenfunktion hat die Form eines dünnen Torus auf der klassischen Kreisbahn der Bohrschen Atomtheorie mit Radius <math>a_0 n^2</math> (mit dem Bohrradius <math>a_0</math>).<ref>M. Gross, J. Hare, P. Goy, [[Serge Haroche]]: The Physics of Circular Atoms and the Measurement of the Rydberg Constant, in: Frequency Standards and Metrology, Proceedings of the Fourth Symposium, Ancona, Italy, September 5 – 9, 1988, Springer 1989, S. 356–361, [[doi:10.1007/978-3-642-74501-0_61]]</ref>

== Weblinks ==
* Michael Komma: [http://www.mikomma.de/orbitals/korresp4.htm Kreisförmige Rydbergatome - Grafische Modellierung], Stand: 2013
* Ernst Leitner und Ulrich Finckh: [https://www.leifiphysik.de/atomphysik/bohrsches-atommodell/grundwissen/rydberg-atome Klassische Atommodelle: Rydbergatome] ([[LEIFI]]).
* F. Camargo et al.: [https://www.scinexx.de/news/technik/exotischer-zustand-atome-im-atom/ Riesenatom nimmt neutrale Nachbaratome in seine Hülle auf und bindet sie]. Originalartikel: ''Creation of Rydberg Polarons in a Bose Gas''. In: Physical Review Letters 120, 083401 – 22. Februar 2018. [[doi: 10.1103/PhysRevLett.120.083401]].
* Nikola Šibalić und Charles S Adams: ''Rydberg Physics'', IOP Publishing (2018). [[doi:10.1088/978-0-7503-1635-4]]

== Literatur ==
* [[Thomas Francis Gallagher]]: ''Rydberg Atoms'', Cambridge UP 2005
* H. Dittmar-Ilgen: Erzeugung und Manipulation klassischer Elektron-Orbitale; Naturwissenschaftliche Rundschau 4/2006, S. 206 (H. Maeda; Science 307, 1757 (2005))

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4178785-7|LCCN=sh85116116}}

[[Kategorie:Atomphysik]]

Rydberg-Zustand - Versionsgeschichte

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