Átomo de Rydberg

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.

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]​

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). «Rydberg Atom Optics». 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. Archivado desde el original el 6 de diciembre de 2015. Consultado el 13 de abril de 2016. 

• Datos: Q2178236
• Multimedia: Rydberg atoms / Q2178236