重リュードベリ系

重いリュードベリ系は、弱く結合した正イオンと負イオンが共通の重心を周回する構造です。このような系は従来のリュードベリ原子と多くの性質を共有するため、重いリュードベリ原子と呼ばれることもあります。このような系はイオン結合分子の一種ですが、分子リュードベリ状態と混同しないでください。分子リュードベリ状態とは、単に1つ以上の高度に励起された電子を持つ分子のことです。

リュードベリ原子の特異な性質は、大きな電荷分離と、その結果生じる水素ポテンシャルに由来する。重いリュードベリ系における二つの成分間の極めて大きな電荷分離は、各イオンにほぼ完全な1/rの水素ポテンシャルを与える。陽イオンは水素原子核に、陰イオンは電子の役割を果たすと見なすことができる。^{[ 1 ]}

種

現在までに最も広く研究されている系は、H ⁺ /H ⁻系であり、これは陽子とH ⁻イオンが結合した系です。H ⁺ /H ⁻系は、 2000年にカナダのウォータールー大学のグループによって初めて観察されました。

H ⁻イオンの形成は古典的に理解できます。水素原子内の単一の電子は正電荷を持つ原子核を完全に遮蔽できないため、近くに置かれた別の電子は引力を感じます。この古典的な説明は、関与する相互作用を理解するのには便利ですが、過度に単純化されています。水素よりも大きな電子親和力を持つ原子は他にもたくさんあります。一般的に、負イオンの形成過程は、原子の電子殻が満たされ、より低いエネルギー構成を形成することによって駆動されます。

原理的には正の電子親和力を持つ原子であれば陽イオンと結合できるものの、重リュードベリ系を生成するために用いられた分子はごくわずかです。用いられる分子種としては、O ₂、H ₂ S、HFなどが挙げられます。フッ素と酸素は、高い電子親和力、高いイオン化エネルギー、そしてそれに伴う高い電気陰性度のため、特に好まれます。

生産

重いリュードベリ系を生成する際の困難は、自己解離（原子の自動イオン化に類似したプロセス）や衝突または局所場による急速な解離を引き起こすのに十分な内部エネルギーを与えることなく、イオン対を形成するために適切なエネルギーで分子を励起できるエネルギー経路を見つけることに起因します。

現在、重いリュードベリシステムの製造は、複雑な真空紫外線（空気中で強く吸収されるため、システム全体を真空チャンバー内に封じ込める必要があるためこのように呼ばれる）または多光子遷移（複数の光子をほぼ同時に吸収することに依存する）に依存しているが、どちらもかなり非効率的であり、高い内部エネルギーを持つシステムになる。

特徴

重いリュードベリ系の結合長は、典型的な二原子分子の1万倍にもなります。このため、水素に似た特徴的な挙動を示すだけでなく、外部の電場や磁場による摂動に対して極めて敏感になります。

重いリュードベリ系は比較的大きな換算質量を持ち、次のように表されます。

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

これにより、時間発展が非常に遅くなり、空間的にもエネルギー的にも操作が容易になります。また、結合エネルギーが低いため、閾値イオン対生成分光法と呼ばれるプロセスで、場解離と結果として生じるイオンの検出を通じて比較的簡単に検出できます。

ケプラーの第三法則は、軌道周期は軌道長半径の3乗に比例すると述べている。これはクーロン力にも当てはまる。

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

ここで、は周期、は換算質量、は長半径、です。 $\tau$ $\mu$ $a$ $k=1/(4\pi \epsilon _{0})$

古典的には、大きな換算質量を持つ系は長い軌道周期を持つと言えます。量子力学的には、系における大きな換算質量はエネルギー準位の間隔を狭め、波動関数の時間発展速度はこのエネルギー間隔に依存します。この遅い時間発展により、重いリュードベリ系は量子系のダイナミクスを実験的に調べるのに理想的なものとなっています。

参考文献

^ Reinhold, Elmar; Ubachs *, Wim (2005年5月20日). 「重いリュードベリ状態」(PDF) . Molecular Physics . 103 (10). Informa UK Limited: 1329– 1352. Bibcode : 2005MolPh.103.1329R . doi : 10.1080/00268970500050621 . ISSN 0026-8976 . S2CID 18950981 .

[1] Reinhold, Elmar; Ubachs *, Wim (2005年5月20日). 「重いリュードベリ状態」(PDF) . Molecular Physics . 103 (10). Informa UK Limited: 1329– 1352. Bibcode : 2005MolPh.103.1329R . doi : 10.1080/00268970500050621 . ISSN 0026-8976 . S2CID 18950981 .

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