处于高激发态的里德堡原子具有一些独特的原子属性

基于里德堡原子的微波全信息测量贾凤东1，郝建海1，崔越1，王宇翔1，刘宇晴1，王宇2，尤建琦2，白金海2，钟志萍1，3*（1.中国科学院大学 物理科学学院，北京 100049；2.航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095；3.中国科学院大学 中国科学院拓扑量子计算卓越中心，北京 100190）摘 要：介绍了里德堡原子微波电场传感器的工作原理，阐述了基于里德堡原子测量微波电场强度、相位、极化、频率等信息的技术特点，分析了基于里德堡原子的微波全信息测量的研究现状，探讨了当前绝对自校准测量和连续宽带高灵敏测量面临的困难，指出可以通过外场调控实现测量灵敏度提升和宽带连续频率测量；并可通过各种调制及解调手段简化相位、极化的测量和读取。

分析了在热原子系统中利用多光子激发消除多普勒展宽以及采用冷原子消除多普勒展宽对于提升微波测量灵敏度的潜在优势，提出未来可利用里德堡原子的高轨道角动量态、强关联等特性进一步提升里德堡原子微波电场传感器性能。

关键词：微波电场传感器；里德堡原子；电磁感应透明中图分类号：TB939；TP212；O56 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2024）01-0001-22Microwave full information measurement based on Rydberg atomsJIA Fengdong 1, HAO Jianhai 1, CUI Yue 1, WANG Yuxiang 1, LIU Yuqing 1,WANG Yu 2, YOU Jianqi 2, BAI Jinhai 2, ZHONG Zhiping 1,3*(1.School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China ；2.Changcheng Institute of Metrology & Measurement, Beijing 100095, China ；3.CAS Center for Excellence in TopologicalQuantum Computation, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)Abstract: This paper introduces the principles of the Rydberg atom microwave electric field sensor, elucidating the technical features of measuring the information of microwave electric field strength, phase, polarization, and frequency based on Rydberg atoms. Then it analyzes the current state of microwave full‐information measurement based on Rydberg atoms and discusses the challenges faced by absolute self‐calibration measurements and continuous broadband high‐sen‐sitivity measurements. It points out that measurement sensitivity enhancement and continuous broadband frequency mea‐surement can be achieved through external field modulation. Various modulation and demodulation techniques are sug‐gested to simplify phase and polarization measurements and data reading. The paper also explores the potential advan‐tages to eliminate Doppler broadening effect by adopting multiphoton excitation in atomic vapor cell systems and adoptingcold atomic systems to enhance microwave measurement sensitivity. It proposes the possibility for future exploration of such characteristics of Rydberg atoms as high orbital angular momentum states and strong correlations to further improvedoi ：10.11823/j.issn.1674-5795.2024.01.01收稿日期：2023-12-20；修回日期：2024-01-24基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFA0304900、2017YFA0402300）；北京市自然科学基金项目（1212014）；中国科学院重点研究计划项目（XDPB08-3）；中央高校基本科研业务费专项资金项目引用格式：贾凤东， 郝建海， 崔越， 等. 基于里德堡原子的微波全信息测量［J ］. 计测技术， 2024， 44（1）： 1-22.Citation ：JIA F D ， HAO J H ， CUI Y ， et al. Microwave full information measurement based on Rydberg atoms ［J ］.Metrology & Measurement Technology ， 2024， 44（1）： 1-22.the performance of Rydberg atom microwave electric field sensors.Key words: microwave electric field sensor; Rydberg atom; electromagnetic induction transparency0　引言对量子状态的主动调控和操纵引发了第二次量子革命，发展出量子通信、量子计算和量子精密测量等前沿领域。

外场调控的里德堡原子电磁感应透明及量子关联特性里德堡原子具有尺寸大、寿命长、极化率大的特点,以及原子间强相互作用可产生激发阻塞效应,这些特点使其成为目前原子分子领域的研究热点。

里德堡原子的电磁感应透明（EIT）效应不仅具有普通EIT的特性,还携带了里德堡原子本身的奇异特点,这使得里德堡原子EIT在非线性光学、量子信息处理、量子纠缠和量子逻辑门以及单光子源的制备和精密测量等方面具有很广泛的应用前景。

里德堡原子电磁感应透明提供了一种全光学的无损探测里德堡原子的新技术,与传统的离子探测方法相比,不会对原子产生破坏,同时提供了一种测量原子间相互作用的新方法。

本文以铯原子作为研究对象,在热原子系统中研究了射频电场缀饰的里德堡原子电磁感应透明光谱,利用里德堡原子EIT效应实现了510nm激光频率的锁定;搭建了铯冷原子磁光阱系统,利用里德堡原子的EIT效应测量获得二阶关联函数,研究了里德堡原子间的强相互作用以及里德堡原子间的量子关联特性。

主要研究内容如下:1.在热原子蒸气池中,对外场调控的里德堡原子电磁感应透明光谱作了详细的研究。

实验中测量了各向同性的S态以及各向异性的D态里德堡原子的射频调制光谱,根据射频EIT谱线特征实现了射频电场强度的自校准,并且利用D态原子各向异性的特点,实现了射频电场极化方向的测量。

通过非微扰的Floquet理论对实验结果进行了模拟,理论和实验符合的非常好。

2.介绍了冷原子磁光阱系统的搭建,并对关键的实验技术做了详细描述;利用里德堡原子的电磁感应透明效应实现了510nm耦合光频率的锁定,提供了一种将激光频率锁定在激发态跃迁的方法。

3.研究了冷里德堡原子的电磁感应透明光谱。

实验中通过改变探测光、耦合光、以及不同的主量子数n,研究了里德堡原子之间的相互作用对里德堡原子电磁感应透明的影响;建立了里德堡EIT的理论模型,引入了里德堡原子相互作用导致的衰减项γ₃=κ×(ρ₃₃/Ω_p)²,理论拟合和实验测量符合的非常好。

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。

清华大学博士论文编辑排版建议采用的字体、字号与正文段落字号相适应，用Word 2000 编辑数学公式时建议采取如下尺寸定义清华大学博士论文格式样例：芳杂环高分子的高温水解特性与量子化学研究(申请清华大学理学博士学位论文)培养单位：清华大学化学系Array专业：物理化学研究生：易某某指导教师：某甲甲教授某乙乙教授副指导教师：芳杂环高分子的高温水解特性与量子化学研究易某某三号仿宋或华文仿宋请将中文封面左边Experimental and Theoretical Investigations of HydrolyticStability of Aromatic Heterocyclic Polymers in High TemperatureDissertation Submitted toTsinghua Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofDoctor of Natural SciencebyDong-ming YI( Physical Chemistry )Dissertation Supervisor : Professor Yong-chang TANG Associate Supervisor : Professor Da-long WUApril, 2001中文摘要摘要论文采用共振多光子电离和Ion-dip两种检测手段对碱土金属单卤化物的里德堡态进行了实验研究。

主要成果是：⑴首次观测到中等有效主量子数的CaCl 预解离里德堡态：在n*=5-7区域内，有5个文献未报导过的2∑+实贯穿里德堡态，填补了CaCl分子此一区域里德堡态研究的空白，对CaCl里德堡态结构的完整分析和其电子态完整的图像的建立具有重要意义；⑵通过理论分析，论证了这些态是因为和一个2∑+连续态的相互作用而导致强烈的预解离。

由实验测定的预解离线宽拟合出45000-47500cm-1范围内的2∑+连续态势能曲线，它能很好地解释这些里德堡态的预解离行为；⑶还观测到若干转动常数值反常小的里德堡态，它们可能是实非贯穿里德堡态的片段。

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（ⁿ*²,n*为有效主量子数）,寿命长（ⁿ*³）,相互作用强(ⁿ*¹¹)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(ⁿ*^-3),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_1/2),激发态(6P_3/2)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。

专题十二物质结构与性质考点1 原子结构与元素的性质1.某元素基态原子4s轨道上有1个电子,则该基态原子的价层电子排布式不可能是( )A.3p64s1B.4s1C.3d54s1D.3d104s12.[2021某某耀华中学模拟]下列说法正确的是( )A.第一电离能:As>Se>BrB.电负性:S>Se>AsC.还原性:S2->As3->Cl-D.原子半径:As>Cl>P3.(1)[2021某某某某阶段训练,2分]基态Ti原子的未成对电子数是,基态Ti原子4s轨道上的1个电子激发到4p轨道上形成激发态,写出该激发态的价层电子排布式:。

(2)[2021某某某某联考,2分]基态As原子核外电子排布式为[Ar]。

下列状态的铝中,电离最外层的一个电子所需能量最小的是(填标号)。

(3)[2021某某示X高中联考,5分]基态Co原子的价层电子轨道表达式为;第四周期中基态原子未成对电子数与基态Ni原子相同的元素有种;铁、钴、镍三种元素中,铁元素的常见化合价有+2和+3两种价态,而钴元素和镍元素的常见化合价为+2,请从原子结构的角度解释铁的常见化合价中有+3的原因:。

4.(1)[2021某某八中阶段性检测,4分]基态镍原子的价层电子排布式为,能量最高的电子所占能级的原子轨道有个伸展方向。

(2)[2021某某某某中学月考,2分]下列氮原子的电子排布图表示的状态中,能量由低到高的顺序是(填字母)。

(3)[4分]钪(Sc)为21号元素,其基态原子M能层电子数为;基态镝(Dy)原子的核外电子排布式为[Xe]4f106s2,一个基态镝原子所含的未成对电子数为。

(4)[2分]铜或铜盐的焰色反应为绿色,该光谱是(填“吸收光谱”或“发射光谱”)。

考点2 分子结构与性质5.[2021某某某某一中月考]下列有关化学键、氢键和X德华力的叙述错误的是( )A.金属键是金属离子与自由电子之间的相互作用,金属键无方向性和饱和性B.共价键是原子之间通过共用电子对形成的化学键,共价键有方向性和饱和性C.X德华力是分子间存在的一种作用力,相对分子质量相同或相近时,分子的极性越大,X德华力越大D.氢键不是化学键而是分子间的一种作用力,只存在于分子与分子之间6.[原创]由四种短周期主族元素形成的某有机物甲的结构如图所示,X、Y、Z、W的原子序数依次增大,Y、Z、W、X的原子半径依次减小。

4. 玻尔的原子模型能级学习目标知识脉络1.知道玻尔原子构造理论的主要内容．(重点)2.认识能级、跃迁、能量量子化及基态、激发态等看法．(重点 )3.会用玻尔的原子构造理论解说氢光谱． ( 重点、难点 )4.认识玻尔原子构造理论的意义 .玻尔的原子构造理论[先填空 ]1．玻尔原子构造理论的主要内容(1)电子环绕原子核运动的轨道不是随意的，而是一系列分立的、特定的轨道．当电子在这些轨道上运动时，原子是稳固的，不向外辐射能量，也不汲取能量，这些状态称为定态．(2)原子处在定态的能量用 E n表示，此时电子以 r n的轨道半径绕核运动， n 称为量子数．当原子中的电子从必定态跃迁到另必定态时，发射或汲取一个光子，光子的能量hν＝ E n－ E m.上式被称为玻尔频次条件，式中 E n和 E m分别是原子的高能级和低能级．这里的“跃迁”能够理解为电子从一种能量状态到另一个能量状态的刹时过渡．2．轨道量子化和能级(1)轨道量子论在玻尔原子构造模型中，环绕原子核运动的电子轨道只好是某些分立值，所以电子绕核运动的轨道是量子化的．(2)能级不一样状态的原子有不一样的能量，所以原子的能量是不连续的，这些不一样的能量值称为能级．[再判断 ]1．玻尔的原子构造理论以为电子的轨道是量子化的．( √)2．电子汲取某种频次的光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态．( √)3．电子能汲取随意频次的光子发生跃迁．( ×)[后思虑 ]1．玻尔的原子模型轨道与卢瑟福的行星模型轨道能否同样？【提示】不一样．玻尔的原子模型的电子轨道是量子化的，只有当半径的大小切合必定条件时才有可能．卢瑟福的行星模型的电子轨道是随意的，是能够连续变化的．2．电子由高能量状态跃迁到低能量状态时，开释出的光子的频次能够是随意值吗？【提示】不可以够．因各定态轨道的能量是固定的，由hν＝ E m－ E n可知，跃迁时开释出的光子的频次，也是一系列固定值．1．轨道量子化轨道半径只好是一些不连续的、某些分立的值，不行能出现介于这些轨道半径之间的其他值．2．能量量子化(1)电子在可能轨道上运动时，固然是变速运动，但它其实不开释能量，原子是稳固的，这样的状态也称之为定态．(2)因为原子的可能状态 ( 定态 ) 是不连续的，拥有的能量也是不连续的．这样的能量值，称为能级．量子数 n 越大，表示能级越高．(3)原子的能量包含：原子的原子核与电子所拥有的电势能和电子运动的动能．3．跃迁：原子从一种定态( 设能量为E2)跃迁到另一种定态( 设能量为E1)时，它辐射(或汲取 ) 必定频次的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，可见，电子假如从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形式改变半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上．玻尔将这类现象叫作电子的跃迁．1． ( 多项选择 ) 对于玻尔的原子模型，下陈说法中正确的有()A．它完全否认了经典的电磁理论B．它发展了卢瑟福的核式构造学说C．它完整扔掉了经典的电磁理论D．它引入了普朗克的量子理论【分析】原子核式构造模型与经典电磁理论的各种矛盾说明，经典电磁理论已不合用于原子系统，玻尔从光谱学成就获得启迪，利用普朗克的能量量子化的看法，提出了量子化的原子模型；但在玻尔的原子模型中仍旧以为原子中有一很小的原子核，电子在核外绕核做匀速圆周运动，电子遇到的库仑力供给向心力，并无完整扔掉经典的电磁理论．【答案】BD2． ( 多项选择 ) 由玻尔理论可知，以下说法中正确的选项是()A．电子绕核运动有加快度，就要向外辐射电磁波B．处于定态的原子，其电子做变速运动，但它其实不向外辐射能量C．原子内电子的可能轨道是连续的D．原子的轨道是不连续的【分析】依照经典物理学的看法，电子绕核运动有加快度，必定会向外辐射电磁波，很短时间内电子的能量就会消逝，与客观事实相矛盾，由玻尔理论可知选项A、C错， B正确；原子轨道是不连续的， D 正确．【答案】BD解决玻尔原子模型的重点(1)电子绕核做圆周运动时，不向外辐射能量．(2)原子辐射的能量与电子绕核运动没关，只由跃迁前后的两个能级差决定．(3)处于基态的原子是稳固的，而处于激发态的原子是不稳固的．(4)原子的能量与电子的轨道半径相对应，轨道半径大，原子的能量大；轨道半径小，原子的能量小．用玻尔的原子构造理论解说氢光谱玻尔原子构造理论的意义[先填空 ]1．氢原子的能级构造(1) 氢原子在不一样能级上的能量和相应的电子轨道半径为 1 E n＝E2( n＝1,2,3，)； r n＝n(＝1,2,3 ， ) ，式中 1 ≈－ 13.6 eV ，1＝×10－10 m.2 1n r n E r(2)能量最低的状态叫做基态，其余状态叫做激发态．(3)氢原子的能级构造图 ( 如图 2-4-1 所示 )图 2-4-12．玻尔理论对氢光谱的解说(1)解说巴尔末公式①依照玻尔理论，从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的波长计算公式为：1 ＝－1 1 1E 2－2，λhc m nE1②用实质数据代入计算，－hc与巴尔末公式中的里德伯常量切合得很好．(2)解说氢原子光谱的不连续性原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后两个能级差，因为原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，所以原子的发射光谱只有一些分立的亮线．[再判断 ]1．氢原子能级的量子化是氢光谱不连续的成因．( √)2．玻尔理论能很好地解说氢光谱为何是一些分立的亮线．( √)3．巴尔末公式是玻尔理论的一种特别状况．( √)4．玻尔理论能成功地解说氢光谱．( √)[后思虑 ]玻尔原子构造理论的意义是什么？【提示】(1) 成功之处：玻尔理论将量子看法引入原子模型，提出了定态和跃迁的概念，比较圆满地解说了氢光谱的实验规律，推进了量子理论的发展．(2)限制性：保存了经典粒子的看法，把电子的运动仍旧看做经典力学描绘下的轨道运动，它不可以说明谱线的强度和偏振状况，在解说有两个以上电子的原子的复杂光谱时碰到了困难．1．能级图的理解如图 2-4-2 所示为氢原子能级图．图 2-4-2(1) 能级图中n 称为量子数，E1代表氢原子的基态能量，即量子数n＝1时对应的能量，其值为－ 13.6 eV.E n代表电子在第n 个轨道上运动时的能量．(2)作能级图时，能级横线间的距离和相应的能级差相对应，能级差越大，间隔越宽，所以量子数越大，能级越密，竖直线的箭头表示原子跃迁方向，长度表示辐射光子能量的大小， n＝1是原子的基态， n→∞是原子电离时对应的状态．2．能级跃迁：处于激发态的原子是不稳固的，它会自觉地向较低能级跃迁，经过一次或几次跃迁抵达基态．所以一群氢原子处于量子数为n 的激发态时，可能辐射出的光谱线条n n－2数为 N＝＝ C .2 n3．光子的发射：原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量，发射光子的频率由下式决定．hν＝ E m－E n( E m、 E n是始末两个能级且m>n)能级差越大，放出光子的频次就越高．4．使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子(1)原子假如汲取光子的能量而被激发，其光子的能量一定等于两能级的能量差，不然不被汲取，不存在激发到n 能级时能量有余，而激发到n＋1时能量不足，则可激发到n 能级的问题．(2)原子还可汲取外来实物粒子 ( 比如，自由电子 ) 的能量而被激发，因为实物粒子的动能可部分地被原子汲取，所以只需入射粒子的能量大于两能级的能量差值 ( E＝E n－E k ) ，便可使原子发生能级跃迁．3．一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子()【导学号： 22482108】A．放出光子，能量增添B．放出光子，能量减少C．汲取光子，能量增添D．汲取光子，能量减少【分析】氢原子从高能级向低能级跃迁时，将以辐射光子的形式向外放出能量，应选项 B正确．【答案】 B4． ( 多项选择 ) 欲使处于基态的氢原子激发或电离，以下举措可行的是 ( )A．用 10.2 eV 的光子照射B．用11 eV 的光子照射C．用 14 eV 的光子照射D．用 10 eV 的光子照射【分析】由氢原子的能级图可求得E2－ E1＝－3.40 eV10.2 eV 是第二能级与基态之间的能量差，处于基态的氢原子汲取－ ( － 13.6)eV10.2 eV＝ 10.2 eV ，即的光子后将跃迁到第二能级态，可使处于基态的氢原子激发， A 对；E m－E1≠11 eV，即不知足玻尔理论对于跃迁的条件， B 错；要使处于基态的氢原子电离，照射光的能量须≥eV，而14 eV＞eV，故14 eV 的光子可使基态的氢原子电离， C 对；E m－E1≠10 eV，既不知足玻尔理论对于跃迁的条件，也不可以使氢原子电离， D 错．【答案】AC5． ( 多项选择 ) 已知氢原子的能级图如图2-4-3所示，现用光子能量介于10～ 12.9 eV 范围内的光去照射一群处于基态的氢原子，则以下说法中正确的选项是()【导学号： 22482027】图 2-4-3A．在照射光中可能被汲取的光子能量有无数种B．在照射光中可能被汲取的光子能量只有3 种C．照射后可能观察到氢原子发射不一样波长的光有6 种D．照射后可能观察到氢原子发射不一样波长的光有3 种【分析】依据跃迁规律hν＝E m－ E n和能级图，可知A 错，B 对；氢原子汲取光子后能跃迁到最高为n＝4的能级，能发射的光子的波长有C24＝ 6 种，故C对， D 错．【答案】BC6．氢原子基态的能量为E1＝－13.6 eV. 大批氢原子处于某一激发态．由这些氢原子可能发出的全部的光子中，频次最大的光子能量为－0.96 E1，频次最小的光子的能量为______eV( 保存2 位有效数字) ，这些光子可拥有______ 种不一样的频次．【分析】频次最大的光子能量为－0.96 E1，即E n－(－13.6 eV)＝－×(－eV) ，n解得 E ＝－0.54 eVn n－可得共有10 种不一样频次的光子．即 n＝5，从 n＝5能级开始，依据2从＝ 5 到＝ 4 跃迁的光子频次最小，依据＝ 5－ 4可得频次最小的光子的能量为n n E E EeV.【答案】10能级跃迁规律大批处于 n 激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射n n－种频次的光子．一个2处于 n 激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射( n－1) 种频次的光子．3.光的波粒二象性学习目标知识脉络1.知道什么是康普顿效应及康普顿散射实验原理． ( 重点 )2．理解光的波粒二象性，认识光是一种概率波 .康普顿效应[先填空 ]1．光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的流传方向发生偏转，这类现象叫光的散射．湛蓝的天空、殷红的彩霞是大气层对阳光散射形成的，夜晚探照灯或激光的光柱，是空气中微粒对光散射形成的．2．康普顿效应康普顿在研究石墨对X 射线的散射时，发此刻散射的X 射线中，除原波长外，还发现了波长随散射角的增大而增大的谱线．X 射线经物质散射后波长变长的现象，称为康普顿效应．3．康普顿的理论当光子与电子相互作用时，既恪守能量守恒定律，又恪守动量守恒定律．在碰撞中光子将能量 hν的一部分传达给了电子，光子能量减少，波长变长．4．康普顿效应的意义康普顿效应表示光子除了拥有能量以外，还拥有动量，深入揭露了光的粒子性的一面，为光子说供给了又一例证．[再判断 ]1．康普顿效应证明了光子不单拥有能量，也拥有动量．( √)2．康普顿效应进一步说明光拥有粒子性．( √)3．光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频次不发生变化．( ×)4．光子发生散射后，其波长变大．( √)[后思虑 ]1．太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面能够看到这束光；白日的天空各处都是亮的；宇航员在太空中只管太阳灿烂眼刺眼，其余方向的天空倒是黑的．为何？【提示】地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；而在太空中的真空环境下，光不再散射，只向前流传．2．光电效应与康普顿效应研究问题的角度有何不一样？【提示】光电效应应用于电子汲取光子的问题，而康普顿效应应用于议论光子与电子碰撞且没有被电子汲取的问题．1．对康普顿效应的理解(1)实验现象X 射线管发出波长为λ0的X射线，经过小孔投射到散射物石墨上．X 射线在石墨上被散射，部分别射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．(2)康普顿效应与经典物理理论的矛盾依照经典物理理论，入射光惹起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光汲取能量，并向周围辐射，这就是散射光．散射光的频次应当等于粒子受迫振动的频次( 即入射光的频次) ．所以散射光的波长与入射光的波长应当同样，不该当出现波长变长的散射光．此外，经典物理理论没法解说波长改变与散射角的关系．(3)光子说对康普顿效应的解说假设 X 射线光子与电子发生弹性碰撞．①光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．②因为碰撞中互换的能量与碰撞的角度有关，所以波长的改变与散射角有关．2．康普顿的散射理论进一步证明了爱因斯坦的光量子理论，也有力证了然光拥有波粒二象性．1．( 多项选择 ) 美国物理学家康普顿在研究石墨对X 射线的散射时，发此刻散射的X 射线中，除了与入射波长λ 0 同样的成格外，还有波长大于λ 0的成分，这个现象称为康普顿效应．关于康普顿效应，以下说法正确的选项是()A．康普顿效应说明光子具动量B．康普顿效应现象说明光拥有颠簸性C．康普顿效应现象说明光拥有粒子性D．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增添【分析】康普顿效应说明光拥有粒子性， B 项错误， A、C 项正确；光子与晶体中的电子碰撞时知足动量守恒和能量守恒，故两者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少， D 项错误．【答案】AC2．康普顿效应证明了光子不单拥有能量，也有动量．如图4-3-1 给出了光子与静止电________( 选子碰撞后电子的运动方向，则碰后光子可能沿__________ 方向运动，而且波长填“不变”“变短”或“变长”) ．图4-3-1【分析】因光子与电子在碰撞过程中动量守恒，所以碰撞以后光子和电子的总动量的3方向与光子碰前动量的方向一致，可见碰后光子运动的方向可能沿 1 方向，不行能沿 2 或方向；经过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由ε＝ hν知，频次变小，再依据 c＝λν知，波长变长．【答案】1变长动量守恒定律不只合用于宏观物体，也合用于微观粒子间的作用；康普顿效应进一步揭露了光的粒子性，也再次证了然爱因斯坦光子说的正确性.光的波粒二象性光是一种概率波[先填空 ]1．光的波粒二象性(1)光既拥有颠簸性又拥有粒子性，既光拥有波粒二象性．光的颠簸性是指光的运动形态拥有各样颠簸的共同特点，如干预、衍射和色散等都有波动的表现．光的粒子性是指光与其余物质相互作用时所互换的能量和动量拥有不连续性，如光电效应、康普顿效应等．(2) 光子的能量和动量①能量：ε＝ hν.h②动量：p＝.λ(3) 意义p 是描绘物质的粒子性的重要物理量；波长λ 和频次ν 是描绘物质的能量ε 和动量h颠簸性的典型物理量．所以ε＝ hν和p＝λ揭露了光的粒子性和颠簸性之间的亲密关系．2．光是一种概率波光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小，所以光是一种概率波．[再判断 ]1．光的干预、衍射、偏振现象说明光拥有颠簸性．( √)2．光子数目越大，其粒子性越显然．( ×)3．光拥有粒子性，但光子又不一样于宏观看法的粒子．( √)4．光子经过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些．( √)[后思虑 ]h1．由公式E＝ hν和λ＝p，能看出颠簸性和粒子性的联系吗？【提示】从光子的能量和动量的表达式能够看出，是h架起了粒子性与颠簸性之间的桥梁．2．在光的单缝衍射实验中，在光屏上放上照相底片，并想法控制光的强度，尽可能使光子一个一个地经过狭缝，曝光时间短时，可看到胶片上出现一些无规则散布的点；曝光时间足够长时，有大批光子经过狭缝，底片上出现一些平行条纹，中央条纹最亮最宽．请思虑以下问题：(1)曝光时间短时，说明什么问题？【提示】少许光子表现出光的粒子性，但其运动规律与宏观粒子不一样，其地点是不确定的．(2)曝光时间足够长时，说明什么问题？【提示】大批光子表现出光的颠簸性，光波强的地方是光子抵达的时机多的地方．(3)暗条纹处必定没有光子抵达吗？【提示】暗条纹处也有光子抵达，不过光子抵达的几率特别小，很难体现出亮度．1．对光的认识的几种学说学说名称微粒说颠簸说电磁说光子说波粒二象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦公认光的直线能在真空中传光电效应，光的干播，是横波，光光既有颠簸现象，又实验依照流传、光康普顿效涉、衍射速等于电磁波速有粒子特点的反射应度光是一群光是一种光是由一光是拥有电磁天性内容重点光是一种电磁波份一份光的物质，既有颠簸性弹性粒子机械波子构成的又有粒子性理论领域宏观世界宏观世界微观世界微观世界微观世界2.对光的波粒二象性的理解实验基础表现说明(1) 光子在空间各点出现的可能性大小(1) 光的颠簸性是光子自己光的可用颠簸规律来描绘的一种属性，不是光子之间颠簸干预和衍射(2) 足够能量的光 ( 大批光子 ) 在流传时，相互作用产生的性表现出波的性质(2) 光的颠簸性不一样于宏观(3) 波长长的光简单表现出颠簸性看法的波(1) 当光同物质发生作用时，这类作用是光的“一份一份”进行的，表现出粒子的性(1) 粒子的含义是“不连光电效应、质续”“一份一份”的粒子康普顿效应(2) 少许或个别光子简单显示出光的粒(2) 光子不一样于宏观看法的性子性粒子(3)波长短的光，粒子性明显3.光波是一种概率波在双缝干预实验中，光子经过双缝后，对某一个光子而言，不可以必定它落在哪一点，但屏上各处明暗条纹的不一样亮度，说明光子落在各处的可能性即概率是不同样的．光子落在明条纹处的概率大，落在暗条纹处的概率小．这就是说光子在空间出现的概率能够经过颠簸的规律来确立，所以说光是一种概率波．3．对于光的波粒二象性，以下说法中正确的选项是()【导学号： 22482062】A．光的频次越高，衍射现象越简单看到B．光的频次越高，粒子性越明显C．大批光子产生的成效常常显示粒子性D．光的波粒二象性否认了光的电磁说不过说某些状况下粒【分析】光拥有波粒二象性，波粒二象性其实不否认光的电磁说，子性显然，某些状况下颠簸性显然，故D错误．光的频次越高，波长越短，粒子性越显然，颠簸性越不显然，越不易看到其衍射现象，故 B 正确、 A 错误．大批光子的行为表现出颠簸性，个别光子的行为表现出粒子性，故C错误．【答案】 B4．( 多项选择 ) 在单缝衍射实验中，中央亮纹的光霸占从单缝射入的整个光强的95%以上．假设此刻只让一个光子能经过单缝，那么该光子()A．必定落在中央亮纹处B．必定落在亮纹处C．可能落在亮纹处D．可能落在暗纹处【分析】依据光的概率波的看法，对于一个光子经过单缝落在哪处，是不行确立的，但概率最大的是落在中央亮纹处，可达95%以上．自然也可能落在其余亮纹处，还可能落在暗纹处，只可是落在暗处的概率很小而已，故只有C、 D正确．【答案】CD对光的波粒二象性的两点提示1．光的干预和衍射及偏振说明光拥有颠簸性，而光电效应和康普顿效应是光拥有粒子性的例证．2．颠簸性和粒子性都是光的实质属性，不过在不一样条件下的表现不一样．当光与其余物质发生作用时，表现出粒子的性质；少许或个别光子易显示出光的粒子性；频次高波长短的光，粒子性明显．大批光子在流传时表现为颠簸性；频次低波长长的光，颠簸性明显．对光子落点的理解1．光拥有颠簸性，光的颠簸性是统计规律的结果，对某个光子我们没法判断它落到哪个地点，我们只好判断大批光子的落点地区．2．在暗条纹处，也有光子达到，不过光子数极少．3．对于经过单缝的大批光子而言，绝大部分光子落在中央亮纹处，只有少量光子落在其余亮纹处及暗纹处．六、词语点将（据意写词）。

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。

压轴题5 物质结构与性质(选考)1．据《自然》杂志于2018年3月15日发布，中国留学生曹原用石墨烯实现了常温超导。

这一发现将在很多领域发生颠覆性的革命。

曹原被评为2018年度影响世界的十大科学人物的第一名。

(1)下列说法中正确的是__________。

a ．碳的电子式是·，可知碳原子最外层有4个单电子b ．12 g 石墨烯含共价键数为N Ac ．从石墨剥离得石墨烯需克服共价键d ．石墨烯中含有多中心的大π键(2)COCl 2分子的空间构型是___________。

其中，电负性最大的元素的基态原子中，有_________种不同能量的电子。

(3)独立的NH 3分子中，H —N —H 键键角106.7°。

如图是[Zn(NH 3)6]2＋离子的部分结构以及其中H —N —H 键键角。

请解释[Zn(NH 3)6]2＋离子中H —N —H 键角变为109.5°的原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(4)碳化钙的电子式：Ca 2＋，其晶胞如图所示，晶胞边长为a nm 、CaC 2相对式量为M ，阿伏加德罗常数的值为N A ，其晶体密度的计算表达式为___________g·cm －3；晶胞中Ca 2＋位于C 2－2所形成的正八面体的体心，该正八面体的边长为______nm 。

解析 (1)a.碳的电子式是· ，但碳原子最外层只有2p 能级有2个单电子，故错误；b.共价键分摊：每个碳原子周围的3个σ键分别被3个碳原子分摊(各占一半)，每个碳原子分摊的σ键数为1.5,12 g 即1 mol 石墨烯含σ键数为1.5N A ，故错误；c.石墨烯层间可以滑动，说明层与层之间的作用力弱，是分子间作用力，故错误；d.石墨烯中含有多中心的大π键，故正确。

里德堡原子热原子
里德堡原子是一种特殊的原子结构，它的电子只存在于两个特定的能级之间，而不会出现在其他能级上。

这使得里德堡原子在研究原子物理学和量子力学方面具有重要意义。

热原子是指在温度影响下的原子，它们会随着温度的升高而具有更高的能量。

热原子的行为通常可以通过玻尔兹曼分布来描述，这是一种描述分子之间热运动状态的概率分布。

在研究里德堡原子时，热原子也是非常重要的，因为它们可以提供原子的热力学性质和动态行为的信息。

研究热原子的行为可以帮助我们更好地理解原子的内部结构和行为，进而推动原子物理学和量子力学的发展。

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氢原子和氦原子里德堡态原子
氢原子和氦原子是物理学中最重要的两种原子，它们之间有一种特殊的关系——里德堡态原子。

里德堡态原子是一种氢原子和氦原子组合而成的特殊类型的原子，它们可以形成一
种强大的单分子结构，这也是里德堡态原子的最大特点之一。

里德堡态原子的形成是由氢原子和氦原子之间的实际相互作用来实现的。

氢原子的电子能
量级比氦原子的要低，因此氢原子的极化力比氦原子的要强烈。

氢原子的极化力会使氦原
子的电子轨道被拉向氢原子，导致氦原子和氢原子之间形成一种单分子结构——里德堡态
原子。

里德堡态原子具有强大的化学特性。

比如，它们可以在特定条件下进行反应，如交换反应、氢转移反应、降级反应等。

此外，里德堡态原子也具有高度的化学稳定性，因此可以用于各种各样的实验和研究中。

里德堡态原子的应用也很广泛，它们可以用于制造新材料、制备药物、分析化合物结构以
及用于生物医学研究等。

因此，里德堡态原子是一种非常重要的原子，它们在现代物理学
和化学领域都发挥着重要作用。

总之，里德堡态原子是氢原子和氦原子组合而成的一种特殊类型的原子，它们可以形成一种强大的单分子结构，具有良好的化学特性和稳定性，并且可以用于多种研究和实验，因
此它们在物理学和化学领域都发挥着重要作用。

里德堡原子可以探测脉冲太赫兹
里德堡原子可以用于探测脉冲太赫兹辐射。

里德堡原子是指通过激光脉冲将原子激发至高能态的一种实验技术。

在激发态和基态之间的能级转换会产生特定波长的光辐射，通过测量这些辐射可以获取关于脉冲太赫兹的信息。

具体来说，当脉冲太赫兹辐射与里德堡原子相互作用时，它可以引起原子的能级跃迁。

通过监测里德堡原子从激发态返回到基态的辐射，可以确定脉冲太赫兹的存在、频率和强度。

这种测量方法可以应用于太赫兹波谱学、材料表征、生物医学成像等领域。

利用里德堡原子进行脉冲太赫兹探测的优势在于，它具有高灵敏度、大动态范围和快速响应的特点。

此外，里德堡原子探测器还可以通过调整激光器参数来选择不同频率的太赫兹辐射进行探测，从而实现频率选择性。

总之，里德堡原子可以作为一种有效的探测器用于脉冲太赫兹的探测，并在太赫兹应用领域具有广泛的应用潜力。

三个里德堡原子之间的相互作用三个里德堡原子之间的相互作用1. 引言里德堡原子理论由丹麦物理学家尼尔斯·波尔于1913年提出，这一理论成功地解释了氢原子光谱中的谱线。

根据里德堡原子模型，原子中的电子绕核旋转，而电子在不同能级上的跃迁会导致特定波长的光谱线。

这一理论的成功标志着量子力学的发展，并对后来的科学研究产生了深远影响。

2. 里德堡原子理论的基本原理里德堡原子理论的核心是对原子中的电子能级和电子跃迁的描述。

根据波尔的理论，原子中的电子只能存在于特定的能级上，每个能级对应着一定的能量。

电子跃迁发生时，电子从一个能级跃迁到另一个能级，产生特定波长的光谱线。

这些光谱线的波长由里德堡公式给出：λ = R(1/n1^2 - 1/n2^2)其中，λ为波长，R为里德堡常量，n1和n2分别对应跃迁前后的能级编号。

3. 三个里德堡原子之间的相互作用在里德堡原子模型中，原子中的电子是独立运动的，彼此之间没有相互作用。

然而，当涉及到三个里德堡原子时，它们之间的相互作用会带来新的问题和现象。

下面我们将探讨三个里德堡原子之间的相互作用，其中主要涉及到以下三种情况。

3.1 原子间的排斥作用当三个里德堡原子在空间中密集排列时，它们之间的电子云会有部分重叠，从而产生排斥作用。

这种排斥作用会导致原子之间的距离增大，使得每个原子的能级发生改变。

三个原子中电子的跃迁过程将受到相互作用的影响，产生新的光谱现象。

3.2 原子间的吸引作用另当三个里德堡原子之间的距离较远时，它们之间会存在吸引作用。

这种吸引作用会导致原子之间的电子云发生变形，并且可能会产生新的能级。

电子的跃迁过程将随着原子间距的变化而发生改变，影响光谱的特性。

3.3 三原子复合体的形成当三个里德堡原子在某些条件下非常接近时，它们可能形成一个稳定的三原子复合体。

这种复合体在量子力学中被称为三体系统，它对于理解原子间的相互作用起到了重要作用。

三体系统的形成会导致原子之间的电子云产生共振，进而影响电子的能级和跃迁过程。

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。

2020智慧树，知到《无机化学（上）》（华东理工大学）章节测试答案第一章单元测试1、单选题：氢原子的原子轨道能量取决于量子数（）。

选项：A: B: C: D: 答案: 【】2、单选题：对某原子中的各电子来说，其主量子数n≤3，则原子处于基态时（）。

选项：A:只有s电子和p电子；B:有s、p和d电子C:只有s电子；D:只有p电子；答案: 【只有s电子和p电子；】3、单选题：第三周期元素的基态原子中，不可能出现d电子，主要依据是（）。

选项：A:能级交错。

B:能量守恒原理；C:洪特(Hund)规则；D:泡里(Pauli)不相容原理；答案: 【能级交错。

】4、单选题：选项：A:80种B:50种C:70种D:60种答案: 【80种】5、单选题：选项：A:B: C: D:答案: 【】6、单选题：首先提出微观粒子运动波动方程式的科学家是选项：A:薛定谔(SchrÖdinger)；B:鲍林(Pauling)。

C:玻尔(Bohr)；D:普朗克(Planck)；答案: 【薛定谔(SchrÖdinger)；】7、单选题：原子序数为33的元素，其原子在n=4，l=1，m=0的轨道中电子数为（）。

选项：A:1 B:3 C:4 D:2 答案: 【1】8、单选题：对下图所示，正确的叙述是（）选项：A: B: C: D: 答案: 【】9、单选题：选项：A:ⅤB族；B:ⅢB族；C:Ⅷ族；D:ⅤA族。

答案: 【Ⅷ族；】10、判断题：第二周期中N的第一电离能比它前后相邻的C和O都要大。

选项：A:错B:对答案: 【对】第二章单元测试1、单选题：按照价键理论，HCl分子中共价键是由（）。

选项：A: B: C: D: 答案: 【】2、判断题：杂化轨道与原子轨道一样既可以形成s键，也可以形成π键。

选项：A:对B:错答案: 【错】3、单选题：下列各组分子均为第二周期元素的同核双原子分子，其中都有未成对电子的是（）。