里德堡态指的是原子或分子的一种状态
里德堡原子微波电场测量
doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2021.01.01里德堡原子微波电场测量白金海，胡栋，贡昊，王宇（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095）摘要：里德堡原子是处于高激发态的原子，其主量子数大、寿命高，具有极化率高、电偶极矩大等特点，对外电场十分敏感。
基于热蒸气室中里德堡原子的量子干涉原理（电磁感应透明和Autler-Towns分裂效应）的微波电场精密测量不仅具有远高于传统偶极天线的灵敏度，且具有自校准、对外电场干扰少、测量频率范围大等优点，是下一代电场测量标准。
本文综述了里德堡原子的微波电场测量研究，详细介绍了其基本原理和当前研究进展，并讨论了未来发展方向。
关键词：量子精密测量；里德堡原子；微波电场；电磁感应透明中图分类号：TB97文献标识码：A文章编号：1674-5795（2021）01-0001-09Rydberg Atoms Based Microwave Electric Field SensingBAIJinhai,HU Dong,GONG Hao$WANG Yu(Changcheng Institute of Metrology&Measurement,Beijing100095,China)Abstract:Rydberg atoms are the atoms in highly excited states with lar-e principaO quantum numbers n,and long lifetimes.The lar-e Ryd-ber-atom polarizabilitu and strong dipole transitions between enereetically nearby states are highly sensitive to electris fielOs.The new developed scheme for microwave electric field precision measurement is based on quantum interference effects(electromaaneticclly induced transparency and Autler-Townes splitting)in Rydbere atoms contained in a dielectric vapoe cell.The mininium measured strengths of microwave electric fieies of the new scheme are far below the standard values obtained by traditional antenna methods.And it has several advantages,such as self-calibration,non-perturbation to the measured field,a broadband measurement frequency range,etc,is the next-generation electric field standard.In this review,we describe work on the new method for measuring microwave electric field based on Rydberg atoms.We introducc the basic theory and experimental techniques of the new method,and discuss the future development direction.Key words:quantum precision measurement；Rydberg atoms；microwave electric fielO；electromagnetically induced transparency0引言原子是一种典型的量子体系，具有可复现、性能稳定、能级精确等优点。
里德堡原子
Further-more, these excited states have extremely long lifetimes. While typical lifetimes of lower excited states of atoms are about 10-8 s，there are Rydberg atoms which have lifetimes of 1s. The difference in energy between two neighboring states n and n’becomes very small when n is large. The long lifetimes of such states are in part a result of the fact that the probability of a spontaneous transition between two states n and n’is, according to Einstein (Sect. 5.2.3)，proportional to v3. In addition, Rydberg atoms may be strongly polarised by relatively weak electric fields, or even completely ionised.When the outer electron of an atom is excited into a very high energy level, it enters a spatially extended orbit一an orbital一which is far outside the orbitals of all the other electrons.The excited electron then "sees" an atomic core, consisting of the nucleus and all the inner electrons, which has a charge +e, just the same as the charge of the hydrogen nucleus.As long as the excited electron does not approach the core too closely, it behaves as though it belonged to a hydrogen atom. Rydberg atoms behave therefore in many respects like highly excited hydrogen atoms.In interstellar space, there acre atoms whose outer electrons are in states with principal quantum numbers n up to 350; this has been observed by radio astronomical methods. In the laboratory, Rydberg atoms with principal quantum numbers between 10 and 290 have been studied. A recent example of still larger values of n is shown in Fig.8.18.The orbital radius of an electron in an atom is proportional to n2(8.17). The spacing between neighboring energy levels decreases as n-3 , It is because these higher powers of n have especially large effects for large n-values that Rydberg atoms have their unusual properties.进而,这些激发态拥有超长寿命。
里德堡原子的电磁感应透明及其应用研究
里德堡原子的电磁感应透明及其应用研究电磁感应透明（electromagnetically induced transparency EIT）是光与物质相互作用中表现出来的一种特殊的非线性效应,是两束激光与原子共振作用时产生的量子相干效应。
利用EIT效应可以实现光脉冲的减慢与储存,介质折射率增强,微波探测及单光子源的制备等。
目前人们已经在不同介质中实现了 EIT,研究了 EIT效应随相干电磁场及系统参数变化的规律,揭示了量子相干的物理机制。
由双光子激发与里德堡原子形成阶梯型三能级系统,里德堡原子的EIT效应成为近年来人们关注和研究的热点。
里德堡原子是指外层电子被激发到主量子数（n）很高的激发态原子,可以视为原子实和一个外层电子构成的类氢原子。
里德堡原子半径大（<sup>n</sup>*<sup>2</sup>,n*为有效主量子数）,寿命长（<sup>n</sup>*<sup>3</sup>）,相互作用强(<sup>n</sup>*<sup>11</sup>)等特性。
因此由里德堡原子组成的量子体系具有较长的相干时间。
里德堡原子能级间隔小(<sup>n</sup>*<sup>-3</sup>),处于射频波段,可以由射频场耦合里德堡原子,实现射频场对里德堡原子相互作用的调控,同时提供了一种测量微波场场强的新技术。
本文以室温铯原子样品为研究对象,由铯原子的基态(6S<sub>1/2</sub>),激发态(6P<sub>3/2</sub>)和里德堡态（nS/nD）构建了阶梯型三能级系统,研究了里德堡原子EIT效应以及射频场与里德堡原子相互作用时的EIT光谱,获得了里德堡原子EIT的调制解调光谱,射频边带光谱以及射频双光子EIT-AT光谱,研究了里德堡EIT与射频场参数的依赖关系,提出了一种宽带自校准的射频场的精密测量方法。
s04氢原子光谱中的里德堡常数测量解析
氢原子光谱中的里德堡常数测量【实验目的】1． 掌握SBP300型光栅光谱仪的工作原理和使用方法，学习识谱和谱线测量等基本技术。
2. 通过所测得的氢（氘）原子光谱在可见和近紫外区的波长验证巴尔末公式并准确测出 氢（氘）的里德伯常数。
3．测出氢、氘同位素位移，理解测量质子与电子质量比的方法。
【实验原理】1913年玻尔提出了氢原子模型并进一步假设：(1) 电子在原子中沿特殊轨道运动时电子处于稳定状态，虽然电子绕核作加速运动，但不会随意吸收和发射辐射，故将这些态称为定态．(2) 当一个电子以某种方式从一个定态m E 向另一个定态n E 跃迁时，原子就会吸收或发射 光子。
光子的频率为：hE E mn -=ν 而当电子从状态n E 跃迁到m E 时，就发射出同频率的光子。
由于m E ，n E 都是不连续的值，因此光子的频率也是分立的，故可以知道原子光谱为线状光谱。
(3)为了简单起见，电子运动的轨道选择为一些圆形轨道，但电子在这些轨道运动时的角动量是)2/(πh = 的整数倍，即角动量是量子化的：n hnmvr L ===π2， n = 1, 2, 3 … 根据玻尔假设，结合经典电学和力学，很容易求得氢原子中电子能级的大小。
电子在轨道上运动时，核对它的静电吸引力提供向心力。
对于圆周运动，则有20224r e r v m πε= 2024mv e r πε=根据玻尔角动量量子化假设mvn r =故有：2024mve mv n πε= 则：ncn e v απε==0242022204n a men r == πε 式中α为精细结构常数，0a 为玻尔半径。
电子的能量为动能与势能之和，当它在第n 个轨道运动时，能量为：222040228421nh me r e mv E n επε-=-= 由上可见，无论是电子的轨道半径r 、运动速度v ，还是电子的能量E ，它们均是分立的。
1=n 的状态称为氢原子的基态，2≥n 的态称为激发态。
磁场调控的里德堡原子电磁诱导透明光谱
磁场调控的里德堡原子电磁诱导透明光谱里德堡原子是主量子数n>>1的高激发态原子,具有轨道半径大（～n<sup>2</sup>）,辐射寿命长（～n<sup>3</sup>）,偶极相互作用强（～n<sup>2</sup>）,极化率大（～n<sup>7</sup>）等奇异的特性,因此一直受到广泛的关注。
利用里德堡原子间强偶极-偶极相互作用所产生的偶极阻塞效应,人们成功实现了可控量子逻辑门的操作,使得其成为研究量子信息和量子计算机的一种理想备选介质。
同时里德堡原子轨道半径非常大,对外层电子的束缚能随着主量子数n的增加而减小(～n<sup>–2</sup>),因此极易受到外场（电场,磁场,微波场）的干扰。
把里德堡原子对外场的敏感性与量子相干效应相结合,将产生新的量子干涉现象,例如近年来引起人们广泛关注的阶梯型里德堡原子电磁诱导透明（EIT）效应。
通过研究射频电场,磁场以及微波场等外场对EIT光谱的影响,进而可以了解里德堡原子的内部结构以及原子与外场相互作用的详细信息,也可用于微弱电磁场以及微波场的有效测量,而这将是一种有别于传统测量方式的、更灵敏的全光学测量技术。
本文以铯原子蒸气作为介质,同时与相对入射的弱探测光(6S<sub>1/2</sub>→6P<sub>3/2</sub>)和强耦合光(6P<sub>3/2</sub>→nS<sub>1/2</sub>/D<sub>3/2,5/2</sub>)相互作用,调节激光器到合适的频率,从而可以得到阶梯型里德堡原子的EIT信号。
通过铯泡周围的螺线管产生近似均匀的磁场,实验中分别调节磁场的大小、探测光和耦合光的功率与偏振、铯原子蒸气的温度以及里德堡态的主量子数和角量子数等来观测EIT光谱的分裂情况,对磁场调控的里德堡原子EIT光谱进行研究,并用解主方程法与量子蒙特卡罗波函数法分别对实验结果进行了计算和模拟。
大学化学I_重庆大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
大学化学I_重庆大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.电对的氧化态浓度越小，则其电极电势值越低，因此，两个电对组成原电池的电动势也随其中任何一个电对的氧化态浓度减小而降低。
答案:2.量子力学薛定谔方程中所说的原子轨道是指 (1) n,l具有一定数值时的一个波函数；(2) n,l,m具有一定数值时的一个波函数；(3) n,l,m,ms具有一定数值时的一个波函数；(4) 与玻尔理论相同的原子轨道。
答案:3.催化剂只能改变反应的活化能，不能改变反应的热效应。
答案:4.若体系的状态改变，则所有的状态函数值都必须改变。
答案:5.在一玻璃球内装有气体（可视作理想气体），连接着另一真空的玻璃球，打开两球之间的活塞使之相通，则系统（取两玻璃球为系统）的熵值增大。
答案:正确6.任何单质和化合物，298.15 K时的标准熵均大于零。
答案:正确7.焓变△H是状态函数，热量Q不是状态函数。
答案:错误8.对在一般情况下氢气的燃烧反应而言，系统与环境的总熵变大于零。
答案:正确9.一般情况下，无论是吸热反应，还是放热反应，只要温度升高，速率常数就会增大。
答案:正确10.碳原子只有两个未成对电子，故只能形成 2 个共价键。
答案:11.只有非电解质的稀溶液才具有依数性。
答案:错误12.水分子结构中电荷分布的特殊性决定了分子间易于形成氢键，从而影响水的性质。
答案:正确13.外加直流电场于胶体溶液，向某一电极做定向移动的是。
答案:胶粒14.室温时，在总压力为200Pa的两种气体的混合物中，氯气的分压力为100Pa，这意味着Cl2的物质的量是混合气体总的物质的量的一半。
答案:15.由于尿素与丙三醇的相对分子质量不同，所以由它们分别配制的相同质量摩尔浓度的两种稀水溶液的蒸气压下降数值也不同。
答案:16.根据反应 H2(g) + I2(g) = 2HI(g) 的速率方程为v = k×c(H2)×c(I2)。
原子物理学(杨福家)总结
原子物理学四、五、六、七、八章总结第四章1、定性解释电子自旋定性解释电子自旋和和轨道运动相互作用的物理机制。
原子内价电子的自旋磁矩与电子轨道运动所产生的磁场间的相互作用，是磁相互作用。
电子自旋对轨道磁场有两个取向，导致了能级的双重分裂，这就是碱金属原子能级双重结构的由来这种作用能通常比电子与电子之间的静电库仑能小（在LS 耦合的情况下），因此是产生原子能级精细结构即多重分裂（包括双重分裂）的原因。
2、原子态55D 4的自旋和轨道角的自旋和轨道角动量动量动量量子数是多少？总角量子数是多少？总角量子数是多少？总角动量动量动量在空间有几在空间有几个取向，如何实验证实？自旋量子数：s=2轨道量子数：l=2角动量量子数：J=4总角动量在空间有9个取向。
由于J J J m J −−=,,1,⋯，共12+J 个数值，相应地就有12+J 个分立的2z 数值，即在感光片上就有12+J 个黑条，它代表了12+J 个空间取向。
所以，从感光黑条的数目，就可以求出总角动量在空间有几个取向。
3、写出碱金属原子的能级公式，说明各写出碱金属原子的能级公式，说明各量量含义含义。
22jl njl n Rhc Z E ∆−−=其中，Z：原子序数，R：里德堡常数，h：普朗克常量，c：光速，n：主量子数，jl ∆：量子数亏损。
4、朗德间隔定则德间隔定则：：在三重态中，一对相邻的能级之间的间隔与两个J 值中较大的那个成正比。
5、同科电子：n 和l 二量子数相同的电子。
6、Stark 效应效应：：原子能级在外加电场中的移位和分裂。
7、塞曼效应效应：：一条谱线在外磁场作用下一分为三，彼此间间隔相等，且间隔值为B B µ。
反常塞曼效应：光谱线在磁场中分裂的数目可以不是三个，间隔也不尽相同。
8、帕邢帕邢--巴克效应：在磁场非常强的情况下，反常塞曼效应会重新表现为正常塞曼效应，即谱线的多重分裂会重新表现为三重分裂，这是帕邢和巴克分别于1912和1913年发现的,故名帕邢-巴克效应。
铯原子高里德堡态Stark结构
铯原子高里德堡态Stark结构Stark效应是原子分子能级在电场作用下发生分裂和移动的现象,已有许多关于原子的Stark效应的研究报道,也有许多应用Stark效应的研究报道。
由于Stark效应与主量子数n有关,n越大,效应越明显,所以高n的里德堡态是Stark 效应的主要研究对象。
本文从理论和实验两方面详细研究了碱金属铯原子的Stark能级结构,给出了详细的计算方法,对实验结果进行了详细分析讨论。
理论计算采用量子力学中的微扰理论。
碱金属原子高里德堡态的电子行为与氢原子非常类似,最大的差别在于前者为多电子原子,其能级公式要加入量子亏损进行修正,这导致碱金属原子的径向波函数不同于氢原子,而角度波函则完全相同。
我们采用了目前最新的（最精确的）无外场时的能级数据,使用Fortran90和Mathematic软件编程计算。
对氢原子的径向波函数做了数值计算以便与解析结果对比验证计算的精确度。
铯原子是重原子,精细结构分裂较大,所以在计算中考虑了电子自旋使能级的分裂。
n=15附近的计算结果与Daniel Kleppner的结果一致。
n越大,计算时需要考虑的波函数（能级）越多,大约是n的几十倍,所以高n的计算需要对角化更高阶的矩阵。
我们计算的n=35,磁量子数丨m丨=1/2的结果中大约当电场小于35V/cm时,外加静电场使能级产生分裂和移动,移动大小与场强近似成线性关系,相邻的能级开始靠近。
当场强大于35V/cm时,产生非线性Stark效应,相邻能级靠的很近,但并未交叉。
而氢原子的Stark能级是可以交叉的。
这是两者的最大差别之一。
目前的实验研究一般都是先将原子激发到nS<sub>1/2</sub>态,然后再激发到主量子数n较高的里德堡态。
根据选择规则Δm=0,±1,则Stark高里德堡态将是丨m丨=1/2,3/2的态。
若最后激发光的偏振方向平行于电场方向,则获得丨m丨=1/2的态,若垂直于电场方向,则获得m=3/2的Stark态。
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里德堡态指的是原子或分子的一种状态。
在该状态下，原子或分子中的一个电子被激发到主量子数较高的轨道。
通常情况下，这样的状态指的是将一个电子放在与离子实相比尺寸很大的轨道上。
人们发现这些状态有一些新的性质：它们对于磁场或碰撞等外界影响极端敏感，具有极端的反应能力，很容易与微波辐射发生作用。
当前在原子分子、光学物理等领域人们所感兴趣的各种实验中都会涉及到里德堡态。
在光谱学中，里德堡系列是指被激发电子的一组束缚态。
这样的束缚态具有给定的一组被激发电子的量子数和离子实状态。
如果我们将相应的所有电子态都包括在内，我们就得到了量子亏损理论研究人员所谓的通道。
对于与其它通道没有相互作用的通道，里德堡态能量遵循一个简单的公式，称为里德堡公式.
某些能量区域存在着与现有的多条通道相联系的状态，当你考虑这些能量区域时，情况会变得十分有趣。
例如，这些不同的通道可能与原子中离子实的不同自旋-轨道状态相关或者与分子中离子实的不同转动和振动态有关。
在通道定义中被忽略的其它相互作用会产生不同通道状态之间的耦合，这将导致里德堡系列中复杂的能量漂移和强度变化。
如果在某个能量范围内的一个或多个通道中，被激发电子是非束缚的（开通道），这种通道相互作用将导致束缚态（在闭通道中）与非束缚态之间的混合，形成自电离。
在自电离区域的原子和分子光谱谱线是加宽和反对称的，可以用Beutler-Fano曲线来描绘。
多通道量子亏损理论提供了一种统一处理耦合轨道的方法，而不管这些通道是开的还是闭的。
分子里德堡态的特性
倘若分子中有一个外层电子处于很高激发态，其相应的运动轨道远离分子实（分子的原子核及剩下的电子），即可将外层电子与分子实的相互作用视为外层电子与点电荷相互作用。
此时用氢原子谱项公式已可近似描述其能级位置。
上述外电子所处的高激发能态称为分子的里德堡态。
分子里德堡态具有如下特性：
1。
具有很高激发能。
2。
外层电子运动轨道很大，它离分子实的距离可远大于核间距。
3。
分子实电势对该外层电子运动影响很小，几乎接近于零；反之亦然，外层电子对分子束缚已不起作用。
因而虽然此时分子内能很高，却不易离解。
4。
电离截面大、效率高，无论碰撞或外电场均能造成高电离产额。
5。
寿命长、荧光效率低。
分子里德堡态的这些性质使它与处在低激发态时的情况大不相同。
精确测定分子里德堡态的能级、寿命、电子几率和量子亏损，探索分子与外场的相互作用并与理论计算相对照，不仅具有分子物理学的学科意义，而且利用分子里德堡态有可能获得激光输出、里德堡态易于电离这一特性，可应用于杂质分子的分离。
著名的量子亏损。
量子亏损描述的是里德堡系列偏离氢原子里德堡态行为的程度，且和被激发电子与剩下的离子实之间的相互作用有关。
某些能量区域存在着与现有的多条通道相联系的状态，当你考虑这些能量区域时，情况会变得十分有趣。
例如，这些不同的通道可能与原子中离子实的不同自旋-轨道状态相关或者与分子中离子实的不同转动和振动态有关。
在通道定义中被忽略的其它相互作用会产生不同通道状态之间的耦合，这将导致里德堡系列中复杂的能量漂移和强度变化。
如果在某个能量范围内的一个或多个通道中，被激发电子是非束缚的（开通道），这种通道相互作用将导致束缚态（在闭通道中）与非束缚态之间的混合，形成自电离。
在自电离区域的原子和分子光谱谱线是加宽和反对称的，可以用Beutler-Fano曲线来描绘。
多通道量子亏损理论提供了一种统一处理耦合轨道的方法，而不管这些通道是开的还是闭的。
性质：外层电子处于很高的激发态时的状态。
除了具有很高的激发能外，里德堡态的特点还有:外层电子离分子实可远大于核间距；电离截面大，效率高；寿命长，荧光效率低等等。
由于分子实和外层电子作用小，可用氢原子谱项公式近似描述其能级结构。
研究里德堡态可用激光非线性光谱效应或传统的分子光谱方法，而量子亏损理论是有用的分析理论工具。
氢离子与里德堡态锂原子碰撞中的电荷转移过程
重粒子碰撞的电荷转移过程一直是理论和实验研究的热点问题,因为电子俘获过程是中低能离子与原子分子非弹性碰撞的主要
物理过程,而且这个过程在许多实际问题中都扮演着非常重要的角色. 例如,它可以为天体物理学,等离子体物理学,生物物理学和医药物理学等学科提供一些重要的反应动力学参数[1 - 7 ] . 近年来,离子与里德堡原子碰撞的电荷转移过程吸引了人们越来越多的关注.这主要是因为里德堡原子广泛存在于天体环境中,
研究离子与里德堡原子的碰撞过程一方面可以为天体物理提供
有用的参数,另一方面电荷转移后发射的特征谱线是诊断物质丰度一个重要手段. 同时,里德堡原子也是研究重粒子碰撞过程的很好例子,我们知道,里德堡原子半径与主量子数n 平方成正比,因此它的碰撞截面比低激发态原子大很多.此外,由于里德堡原
子最外层的电子离核很远,在碰撞过程中与入射粒子、原子核的三体作用表现明显,在超冷等离子体与冷里德堡原子的实验中也有重要的作用.在入射粒子与里德堡原子中电子速度接近的时候,三体效应将十分显著,碰撞中的各种物理机制也将得到充分的展示. 为此,本文运用双中心原子轨道强耦合( TC - AOCC) 方法研究了H+ 与Li(5d) 原子的碰撞过程中的单电子转移过程,计算了电子俘获到氢原子各个次壳层的态选择截面及总截面,讨论了态选择截面随入射粒子的主量子数及角量子数的分布情况.
理论方法
双中心原子轨道(Atomic Orbital Close Coupling Method ,简称AOCC) 方法是由Bates and Mc Carroll于1958 年提出, 经过其他人的不断完善,现在已经被普遍应用于离子2原子碰撞问题
的研究中.
结语
由以上讨论可以看出,离子和里德堡态原子碰
撞中的过程的研究还是一个比较新的问题. 我们采
用双中心的AOCC 方法对单电荷转移过程进行了
一定的尝试计算,给出了碰撞截面电子主量子数和
角量字数的分布,为以后的实验提供了预测. 初步
分析,计算方法是可行的,计算结果是可信的. 但仍
有很多问题有待进一步深入研究.。