Sistema Rydberg pesado

Un sistema Rydberg pesado consiste en un ion positivo y negativo débilmente unido que orbita alrededor de su centro de masa común. Estos sistemas comparten muchas propiedades con el átomo de Rydberg convencional y, en consecuencia, a veces se les denomina átomos de Rydberg pesados. Si bien dicho sistema es un tipo de molécula unida iónicamente, no debe confundirse con un estado molecular de Rydberg, que es simplemente una molécula con uno o más electrones altamente excitados.

Las propiedades peculiares del átomo de Rydberg provienen de la gran separación de cargas y del potencial hidrogénico resultante. La separación extremadamente grande entre los dos componentes de un sistema Rydberg pesado da como resultado un potencial hidrogénico casi perfecto de 1/r visto por cada ion. El ion positivo puede considerarse análogo al núcleo de un átomo de hidrógeno, mientras que el ion negativo desempeña el papel del electrón. ^[1]

Especies

El sistema más estudiado hasta la fecha es el sistema formado por un protón unido a un ion. El sistema fue observado por primera vez en el año 2000 por un grupo de la Universidad de Waterloo en Canadá . ${\displaystyle H^{+}/H^{-}}$ ${\displaystyle H^{-}}$ ${\displaystyle H^{+}/H^{-}}$

La formación del ion puede entenderse de forma clásica; Como un único electrón en un átomo de hidrógeno no puede proteger completamente el núcleo cargado positivamente, otro electrón que se acerque sentirá una fuerza de atracción. Si bien esta descripción clásica es buena para tener una idea de las interacciones involucradas, es una simplificación excesiva; muchos otros átomos tienen una mayor afinidad electrónica que el hidrógeno. En general, el proceso de formación de un ion negativo está impulsado por el llenado de capas de electrones atómicos para formar una configuración de menor energía. ${\displaystyle H^{-}}$

Sólo se ha utilizado un pequeño número de moléculas para producir sistemas Rydberg pesados, aunque en principio cualquier átomo con afinidad electrónica positiva puede unirse a un ion positivo. Las especies utilizadas incluyen y . El flúor y el oxígeno son particularmente favorecidos debido a su alta afinidad electrónica, su alta energía de ionización y, en consecuencia, su alta electronegatividad . ${\displaystyle O_{2}}$ ${\displaystyle H_{2}S}$ ${\displaystyle HF}$

Producción

La dificultad en la producción de sistemas Rydberg pesados ​​surge al encontrar una vía energética mediante la cual una molécula pueda excitarse con la energía justa para formar un par iónico, sin suficiente energía interna para causar la autodisociación (un proceso análogo a la autoionización en los átomos) o Disociación rápida debido a colisiones o campos locales .

Actualmente, la producción de sistemas Rydberg pesados ​​se basa en complejos rayos ultravioleta de vacío (llamados así porque se absorbe fuertemente en el aire y requiere que todo el sistema esté encerrado dentro de una cámara de vacío) o transiciones multifotónicas (que dependen de la absorción de múltiples fotones casi simultáneamente). ), los cuales son bastante ineficientes y dan como resultado sistemas con alta energía interna.

Características

La longitud del enlace en un sistema Rydberg pesado es 10.000 veces mayor que en una molécula diatómica típica . Además de producir el comportamiento característico similar al del hidrógeno, esto también los hace extremadamente sensibles a las perturbaciones de campos eléctricos y magnéticos externos .

Los sistemas Rydberg pesados ​​tienen una masa reducida relativamente grande , dada por:

${\displaystyle \mu ={m_{1}m_{2} \over m_{1}+m_{2}}}$

Esto conduce a una evolución temporal muy lenta, lo que los hace fáciles de manipular tanto espacial como energéticamente, mientras que su baja energía de unión los hace relativamente simples de detectar mediante disociación de campo y detección de los iones resultantes , en un proceso conocido como umbral de par iónico. espectroscopía de producción .

La tercera ley de Kepler establece que el período de una órbita es proporcional al cubo del semieje mayor ; esto se puede aplicar a la fuerza de Coulomb :

${\displaystyle \tau ^{2}={4\pi ^{2}\mu \over kZe^{2}}a^{3}}$

donde es el período de tiempo, es la masa reducida, es el semieje mayor y . ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle k=1/(4\pi \epsilon _{0})}$

Clásicamente podemos decir que un sistema con una gran masa reducida tiene un período orbital largo. En mecánica cuántica, una gran masa reducida en un sistema conduce a un espaciamiento estrecho de los niveles de energía y la tasa de evolución temporal de la función de onda depende de este espaciamiento de energía. Esta lenta evolución temporal hace que los sistemas Rydberg pesados ​​sean ideales para probar experimentalmente la dinámica de los sistemas cuánticos.

Referencias

1. Reinhold, Elmar; Ubachs *, Wim (20 de mayo de 2005). "Estados pesados ​​de Rydberg" (PDF) . Física Molecular . 103 (10). Informa UK Limited: 1329-1352. doi :10.1080/00268970500050621. ISSN  0026-8976. S2CID  18950981.