Átomo de Rydberg

Un átomo de Rydberg es un átomo excitado con uno o varios electrones en estados con un número cuántico principal alto.^[1]​^[2]​ Estos átomos tienen propiedades bastante particulares, entre las que se encuentran una respuesta exagerada a campos eléctricos y magnéticos,^[3]​ tiempos de decaimiento largos y funciones de onda electrónicas que se aproximan (bajo ciertas condiciones) a las órbitas clásicas de los electrones alrededor del núcleo.^[4]​ Estos electrones externos perciben un potencial similar al potencial eléctrico dado por un átomo de hidrógeno, pues los electrones internos apantallan a los electrones de valencia del campo eléctrico creado por el núcleo.^[5]​

Niveles de energía en el átomo de Litio que muestra la serie de Rydberg de los 3 valores más bajos de momento angular orbital que convergen en la primera energía de ionización.

A pesar de sus deficiencias, el modelo atómico de Bohr es útil para explicar estas propiedades. Desde el punto de vista clásico, un electrón en una órbita circular de radio r alrededor de un núcleo de hidrógeno de carga +e, obedece la segunda ley de Newton:

${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} \Rightarrow {ke^{2} \over r^{2}}={mv^{2} \over r}}$

donde k = 1/(4πε₀).

El momento orbital se encuentra cuantizado en unidades de ħ:

${\displaystyle mvr=n\hbar }$

Combinando estas dos ecuaciones llegamos a la expresión de Bohr para el radio orbital en función del número principal cuántico, n:

${\displaystyle r={n^{2}\hbar ^{2} \over ke^{2}m}.}$

Partiendo de esta ecuación uno puede comprender por qué los átomos de Rydberg muestran propiedades tan particulares: el radio orbital escala como n² (el estado con n = 137 de hidrógeno tiene un radio orbital ~1 µm), y la sección efectiva geométrica crece como n⁴. Así pues, los átomos de Rydberg son extremadamente grandes y sus electrones de valencia, ligados débilmente al núcleo, son perturbados fácilmente o incluso ionizados por colisiones o campos externos.

Dado que la energía de ligadura de un electrón en un estado de Rydberg es proporcional a 1/r, y por lo tanto disminuye como 1/n², el espaciado energético entre niveles adyacentes disminuye como 1/n³, lo que da lugar a niveles cada vez más cercanos que convergen a la primera energía de ionización. Estos estados tan cercanos forman lo que se conoce como la serie de Rydberg.

Véase también

• Johannes Rydberg
• Fórmula de Rydberg
• Teoría cuántica antigua

Referencias

1. Gallagher, Thomas F. (1994). «Rydberg Atoms». Cambridge University Press. ISBN 0-521-02166-9. 
2. Sibalic, Nikola; S. Adams, Charles (2018). Rydberg Physics (en inglés). IOP Publishing. ISBN 9780750316354. doi:10.1088/978-0-7503-1635-4. Consultado el 27 de noviembre de 2018. 
3. Metcalf Research Group (2004). . Stony Brook University. Archivado desde el original el 26 de agosto de 2005. Consultado el 13 de abril de 2016. 
4. J. Murray-Krezan (2008). «The classical dynamics of Rydberg Stark atoms in momentum space». American Journal of Physics 76 (11): 1007-1011. Bibcode:2008AmJPh..76.1007M. doi:10.1119/1.2961081. 
5. Nolan, James (31 de mayo de 2005). «Rydberg Atoms and the Quantum Defect». Davidson College. Consultado el 13 de abril de 2016. 

•   Datos: Q2178236
•   Multimedia: Rydberg atoms