Li原子秘里德堡态辐射寿命的计算
处于高激发态的里德堡原子具有一些独特的原子属性
寿命和较大的电偶极矩等。这些普通原子所不具备的特性是实现很多量子信
息处理任务的有效资源。例如，对里德堡原子之间的长程偶极相互作用进行
光学控制可执行量子门操作和制备量子纠缠态。特别地，偶极相互作用能引
起一种里德堡激发的阻塞效应：在一个微米尺度的介观区域内，最多只有一
特别是由原子间偶极相互作用引起的阻塞效应（
blockade effect
）
[2-4]
，引
起了人们的广泛兴趣。如今，里德堡原子在量子信息、原子的相干激发技
术、超冷等离子体和多体物理领域都展现出强劲的发展势头和独特优势。
下面将分别介绍与里德堡原子相关的量子信息技术和电磁感应透明的历
史和发展现状。
个原子能被激发到一个主量子数很大的里德堡态上。实际上，偶极阻塞效应
是很多新近提出量子操控方案的物理基础，包括原子纠缠的相干制备、单光
子源的可靠产生、多体系统的量子模拟等。
所谓里德堡原子，指的就是主量子数非常大的高激发态原子。这类原
子寿命长，半径大，电偶极矩强，具有其它中性原子没有的特性
[1]
。随着
激光冷却技术的不断进步，里德堡原子丰富的物理内涵逐渐地表现出来，
里德堡原子
定义：里德堡原子，指的是主量子数非常大的高激发态原子没有的特性（里德堡原子间相互作用强度变化范围很大，例如，主量子数为100S
的两个里德堡原子间相互作用强度约为基态中性原子间相互作用强
度的 倍；因此利用里德堡原子的这一独有特性可以灵活地调节相互作用强度，从而能够实现高保真度的各种量子门操作。）
超冷里德堡原子的产生以及探测
第24卷,第6期光 谱 实 验 室V o l .24,N o .62007年11月Ch inese J ou rnal of S p ectroscop y L aboratory N ove m ber ,2007超冷里德堡原子的产生以及探测①①基金项目:973计划(2006CB 921603),国家自然科学基金(10574084,60678003)②联系人,电话:(0351)7018927;E 2m ail :zhaoj m @sxu .edu .cn作者简介:李安玲(1981—),女,山西省大同市人,硕士研究生,主要从事超冷里德堡原子相互作用的研究工作。
收稿日期:2007209226;接受日期:2007210220李安玲 张临杰 冯志刚 赵建明② 李昌勇 贾锁堂(量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西大学物理电子工程学院 太原市坞城路92号 030006)摘 要 利用激光冷却与俘获技术获得冷原子,由双光子激发产生超冷里德堡原子,利用场电离法得到了里德堡原子ns 和nd 态的离子谱图;再将激光波长固定在6p 3 2—34d 态的共振跃迁线上,得到了离子和里德堡原子的TO F (T i m e of F ligh t )图,并对实验结果做了分析。
关键词 超冷里德堡原子,双光子过程,场电离脉冲,离子信号。
中图分类号:O 562.3;O 562.4 文献标识码:A 文章编号:100428138(2007)06211662051 引言 里德堡原子是指原子最外层电子被激发到主量子数n 很大的高激发态的原子。
在里德堡原子中,最外层电子离原子实(原子核加其他电子)很远,原子实对它的静电库仑作用就像一个点电荷(+e ),都可视为类氢原子。
这样的原子具有一些独特的性质,如表1所示。
里德堡原子具有较大的原子半径和电偶极矩,同时具有很大的碰撞截面,和较长的作用时间,而且随着主量子数的增大,相邻能级之间的间隔变小。
3第二章-类氢离子夫兰克-赫解析
3. 验证 a. H原子中的电子
b. 谐振子辐射（线性）
谐振子的运动： q Acost
速度：dq / dt Asin(t)
m
dq dt
dq
m
(
dq
2
)
dt
dt
mA2 2 sin 2 t dt
T
2m 2 A2 2 sin 2tdt 0
1 2
m 2 A2
T
E 1 mv2 1 kx2 1 m2 A2
由于原试验装置的缺陷，难以产生高能量电子，夫兰克 对装置进行了改进。将加速和碰撞分在两个区进行。
结果：
当U KG1 ＝4.68，4.9，5.29，5.78， 6.73V时，I A下降。
分析：
4.9V是已测得的第一激发电势， 6.37V有相应的光谱线被观察到，波 长是1849埃，其余的相当于原子被激 发到一些状态，但是很难发生自发跃 迁而发出辐射，所以光谱中没有相应 谱线，这些状态称为亚稳态。
1 n12
1 n22
对一个n1，则可以取n2＝ n1 +1, n1+2, …
４．里德堡常数的变化
a．从类氢离子的光谱式可知，只要取合适的光谱 项，不同光谱中的有些线能够重合，但实际上不 是这回事，原因来自于Ｒ，Ｒ的不同来自哪里？ 分析可知是由于原子核质量的改变．
b．原子中的电子和原子核绕二者的质心运动
• 在玻尔理论发表的第二年，即1914年，夫兰 克和赫兹进行了电子轰击汞原子的实验，证 明了原子内部能量的确是量子化的。可是由 于这套实验装置的缺陷，电子的动能难以超 过4.9ev，这样就无法使汞原子激发到更高的 能态，而只得到汞原子的一个量子态—— 4.9ev。
• 1920年，夫兰克改进了原来的实验装置，把电子的 加速与碰撞分在两个区域内进行，获得了高能量的 电子，从而得到了汞原子内一系列的量子态。
原子物理学习题4
皖西学院近代物理期末考试试卷(共100分)姓名:_________ 学号:_________ 成绩:_________一．选择题(共10题, 共有28分 )4 1.氢原子分别处于32D 3/2 , 32P 3/2 和 32P 1/2 状态,这些状态对应的能级是否相同(不考虑兰姆位移)?A. 都不同;B. 32P 3/2 和32P 1/2 相同;C. 都相同;D. 32D 3/2 和32P 3/2 相同。
3 2.通过测量β衰变的β粒子能谱，可得出正确的结论：A. 为连续谱，但最大值不确定，故与核具有能级相矛盾；B. 为连续谱，有确定的最大值，故与核具有能级相矛盾；C. 为连续谱，有确定的最大值，但仍可确定核能级；D. 为连续谱，没有确定的最大值，故仍可确定核能级。
2 3.由壳层结构理论和洪德定则可知，氯原子（Z=17）基态时的原子态应是：A. 2P 1/2；B. 2P 3/2；C. 4P 1/2；D. 4P 3/2。
1 4.电子填充外层原子轨道时，先填4s 轨道后填3d 轨道，是由于：A. 内层电子对4s 电子的屏蔽作用不如对3d 电子的屏蔽作用强；B. 3d 电子的自旋-自旋作用比4s 电子的强；C. 两电子间的自旋轨道作用使4s 能级低于3d 能级;D. 3d 电子与核的库仑作用比4s 电子的更强。
4 5.LS 耦合中关于J 的选择定则为除外）00(1,0→±=∆J ，其中除外00→的原因是由于：A. 宇称守恒；B. 轨道角动量守恒；C. 泡利原理限制；D. 总角动量守恒。
3 6.在LS 耦合下，两个等价p 电子能形成的原子态是：A. 1D ，3D ；B. 1P ，1D ，3P ，3D ；C. 1D ，3P ，1S ；D. 1D ，3D ，1P ，3P ，1S ，3S 。
3 7.在观测顺磁共振的实验装置中，所使用的交变电磁场的波长处于：A. 0.3 — 300A范围内； B. 0.4 — 0.7μm 范围内；C. 300 — 0.3mm 范围内；D. 0.03 — 0.4μm 范围内。
放射性衰变定律及法拉第电磁感应定律
放射性衰变定律及法拉第电磁感应定律放射性衰变定律和法拉第电磁感应定律是两个重要的物理定律，它们在不同的领域中起到了关键作用。
本文将分别介绍并详细阐述这两个定律及其应用。
一、放射性衰变定律1. 定义和背景放射性衰变是指某些原子核的不稳定性，导致它们自发地转变为其他核或元素的过程。
放射性衰变定律描述了放射性物质衰变的速率和规律。
2. 放射性衰变定律公式放射性衰变定律可以用以下公式表示：N(t) = N0 * e^(-λt)其中，N(t)代表时间t时刻的剩余放射性原子核数量，N0代表起始的放射性原子核数量，e是自然对数的底数，λ是衰变常数，t是时间。
3. 相关概念解释- 半衰期：放射性同位素的半衰期是指使样品中放射性核素衰变为初始数量一半的时间。
半衰期与衰变常数相关：T1/2 = ln(2)/λ，其中T1/2是半衰期。
- 放射性活度：放射性样品单位时间内衰变的原子核数量。
4. 应用领域放射性衰变定律在许多领域都有应用，包括：- 放射医学：放射性同位素用于治疗、诊断和研究疾病。
- 放射性测年法：利用放射性同位素衰变的特性来确定地质和考古样本的年龄。
- 核能工业：放射性同位素应用于核电站的能源生产。
以上是有关放射性衰变定律的简要介绍，接下来我们将学习另一个重要的物理定律——法拉第电磁感应定律。
二、法拉第电磁感应定律1. 定义和背景法拉第电磁感应定律描述了通过一个闭合线圈的磁通量变化所感应出的电动势。
2. 法拉第电磁感应定律公式法拉第电磁感应定律可以用以下公式表示：ε = -dΦm/dt其中，ε代表感应电动势，Φm代表磁通量，t代表时间。
负号表示感应电动势方向与磁通量变化的方向相反。
3. 相关概念解释- 磁通量：磁感线穿过一个平面的总数称为磁通量。
磁通量的单位为韦伯(Wb)。
- 磁感应强度：确定磁场施加在一个闭合线圈上的磁通量密度。
磁感应强度的单位为特斯拉(T)。
4. 应用领域法拉第电磁感应定律在许多领域都有应用，包括：- 发电机：利用法拉第电磁感应原理将机械能转化为电能。
原子物理(三)
~ ~ ν He > ν H
H (nm)
656.28 486.13 434.05
5. 类氢原子光谱
玻尔理论也适用于类氢原子光谱的解释。
• (1) μ−1 介子原子
1⎞ ⎛ 1 ~=R v − 2⎟ 类氢原子 ⎜ 2 ⎝m n ⎠
μ −1meson
+Ze
μ − 1 meson :-e
• (2)π−1介子原子
2. 氢原子光谱
Balmer found in 1885 that the wavelengths of fourteen lines of spectrum of the hydrogen atom could be extremely well reproduced by a relation of the form
(5)
P = mevr = nh ϕ
4πε 0 n 2 h 2 rn = me Ze 2
Ze 2 vn = n = 1,2,3 ⋅ ⋅ ⋅ 4πε 0 nh
(6)
（2）因为氢原子的核电荷数Z=1，所以
a.氢原子的轨道能量En ：
2π 2 me e 4 En = − (4πε 0 ) 2 n 2 h 2
a0—波尔半径（Bohr radius） c.氢原子的轨道速度Vn ： Vn ( H ) =
n =1
V1 ( H ) =
e2 4πε 0 h
≈ 2.2 × 10 6 m / s
（3）几个概念
a.量子数： En , vn , rn中正整数n为量子数 b.轨道图:按照轨道半径大小比例画出的图称为轨道图 c.能级与能级图: 与轨道对应的能量只能有分立的数值，这些数值即 为能级用一条横线代表一个能级，横线之间的距离 表示能量的间隔，按能量大小比例画出的图称为能 级图。
原子核物理概论-3
放射性衰变的分类：
1. 衰变：放出氦核( 4 He)的过程。 2
衰变放出正电子(e )和中微子( e)；电子俘获(EC)
2. 衰变：-衰变放出电子(e- )和反中微子( e)；
是原子核俘获一个核外轨道电子的过程。
3. 衰变：即跃迁，放出波长很短的电磁辐射。 与衰变属于同一类的有内转换(IC)，原子核把激发
-1
N N 0e
37% N 0
当粒子的运动速率接近光速时，从实验室参 考系观测到的粒子的寿命将比一般数据表中给出
的值大，也就是说，高速飞行的粒子寿命变长了。
说明：
衰变常量、半衰期T 和平均寿命之间存在一定 联系，知道一个，另外两个也就完全确定了，任 何一个都可以作为放射性核素的特征量。 每一种放射性核素都具有特定值(T值、值)，可 以根据测量的值，来判断是哪种放射性核素。 实验表明，原子核的放射性是原子核自身性质的 反映，其特征量以及所遵从的规律不受外界条件 (如温度、压强和磁场等)的影响，也不会由于核 是处于单质中或是处于化合物中而有所变化。 长半衰期的测定
间衰减的快慢。对确定的放射性核素和确定的衰变方式， 是常量。
2. 放射性活度 A，表示放射性的强弱程度 定义为单位时间内发生衰变的核的数目。
dN - t A N N 0e dt
A A0 e - t
A0—t=0时的放射性活度。
母核减少，射线强度减弱，都遵从指数衰减。 放射性活度单位是Bq(贝克勒尔)，若1s内有1个
衰变能E 0 是粒子动能与子核反冲动能之和,是研究 衰变过程的重要物理量
E0 E Er [mX - (mY m )]c
将核质量转化为原子质量:
2
mX M X - Zm e mY M Y - (Z - 2)m e m M He - 2me
里德伯公式
一、氢原子光谱的实验规律
可见光区 紫外光区
H
H H H
H
6563A 4861A 4341A 4102A 3646A
物理系 从守民
1885年瑞士的巴耳n2 n2
4
n 3,4,5,6
物理系 从守民
频率条件:当原子从一个能量为En 的定态跃迁到另一个能量为Ek的定 态时，就要发射或吸收一个频率为
kn的光子
kn
Ek En h
En>Ek---发射光子
En<Ek---吸收光子
物理系 从守民
量子化条件:电子在稳定圆轨道上 运动时，其轨道角动量L=mvr必须 等于h/2的整数倍，即
k=1,n=2,3,… 莱曼系,紫外区 k=2,n=3,4,… 巴尔末系 k=3,n=4,5,… 帕邢系,红外区 k=4,n=5,6,… 布拉开系,红外区 k=5,n=6,7,… 普芳德系，红外区 k=6,n=7,8,… 哈菲莱系,红外区
物理系 从守民
1890年里德伯,里兹等人发现碱金 属原子光谱有类似的规律
L n h n n 1,2,
h2----约化--普--量朗子克数常数 2
1922年玻尔因对原子结构和原子放 射性的研究获诺贝尔物理学奖
物理系 从守民
3.氢原子轨道半径和能量的计算
(1)轨道半径 根据牛顿定律 和库仑定律有
e2
40r 2
m v2 r
而 L mvr n h
帕邢系
巴耳末系
n
4 3
2
-13.6
莱曼系
1
物理系 从守民
4.里德伯公式的推导
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Li原子秘里德堡态辐射寿命的计算
里德堡原子因具有轨道半径大、极化率大、辐射寿命长的性质,而被应用在很多领域。
其中高里德堡态的辐射寿命可以反映里德堡原子的结构以及能级信息,被广泛应用在天体光谱分析、空间物理、原子结构的理论计算研究、等离子体物理、气体放电、受控热核聚变以及激光同位素分离等多个物理学领域中。
又里德堡原子比普通原子简单,可以用来做物理研究的测试场所,故需要研究高里德堡态的寿命为实验方法提供检验并弥补实验数据的不足之处。
目前大多数理论都只能计算低能态问题,库伦近似法只限于主量子数小于等于30的态。
Theodosiou提出了代表原子核实际作用的模型势计算出了碱金属原子主量子数小于等于21的态的寿命。
李白文等提出了唯象势模型,得出了主量子数小于等于50的碱金属原子辐射寿命。
李国胜等人用简单解析波函数与节点校正相结合的方法,求得了主量子数小于等于40时锂原子的辐射寿命。
2009年,Beterov等用准经典近似,把碱金属原子寿命计算推高到主量子数小于等于80。
因此,将碱金属里德堡原子寿命的主量子数推高到大于80是一项十分有意义的工作。
难以把主量子数推高的原因在于,大主量子数的径向矩阵元难以精确计算。
而我们用碱金属单电子模型势、B样条技术和双精度数值积分,超越了一些传统方法将锂原子径向矩阵元的主量子数提高到140,进而计算了主量子数小于等于140的里德堡锂原子辐射寿命。
我们的结果与已有实验值以及其他理论值进行了比较,可以很好的吻合。
我们的高态值可以为相关实验提供理论依据,也可为将来的实验提供指导。