Basiswissen

Als Rydberg-Atom wird ein Atom bezeichnet, in dem ein Elektron in einem so hohen Energiezustand angeregt ist, dass es den Atomkern, teilweise auch den gesamten Atomrumpf, bestehend aus dem Atomkern und den restlichen Elektronen, in weitem Abstand umkreist und sein Verhalten damit dem eines klassischen Teilchens ähnelt. Rydberg-Atome können über 100.000-mal größer sein als nicht angeregte Atome. Man beobachtet sie im Weltraum^[2], kann sie aber auch gezielt in einem Labor erzeugen.^[3]

Hauptquantenzahl

In Atomen füllen die Elektronen verschiedene Energieniveaus in der Atomhülle aus. Die Energieniveaus sind mit hochlaufenden natürlichen wie 1, 2, 3, 4 und so weiter nummeriert. Diese Nummer heißt Hauptquantenzahl und wird abgekürzt mit einem kleinen n. Bei üblichen Atom werden die Energieniveaus von kleinen n-Werten hin zu großen n-Werten (maximal 7) aufgefüllt. Dabei werden keine n-Werte übersprungen. Aber genau das ist bei einem Rydberg-Atom möglich. Beim Wasserstoff gibt es zum Beispiel nur ein Elektron in der Hülle. Es befindet sich üblicherweise im Grundzustand n=1 in der Hülle. Es ist aber möglich, dieses Elektron in Zustände bis hin zu mindestens n=350 zu bringen.^[2] Die darunterliegenden Energieniveaus sind dann sozusagen übersprungen.

Größe

Ein extremes Wasserstoff-Rydberg-Atom mit n=500 hat eine Durchmesser von 25 Mikrometer (µm). Das ist in der Größenordnung 100 Tausend mal so groß wie ein Wasserstoffatom im Grundzustand.^[1] Als Größenordnung für den Durchmesser eines Wasserstoffatoms findet man zum Beispiel einen Wert von 25 pm (Pikometer,10⁻¹² Meter).

Lebensdauer

Rydberg-Atome im Sinne von hoch angeregten Atomen haben im Vergleich zu niedrig angeregten Atomen eine sehr lange Lebensdauer. Die Lebensdauer reicht bis zu einer Sekunde. Bei niedrig angeregten Atomen liegt die durchschnittliche Lebensdauer bei nur 10⁻⁸ Sekunden.

Fußnoten

[1] "Sie [die Rydberg-Atome] können mit 10⁻² mm den 100000fachen Durchmesser eines Atoms im Grundzustand besitzen, ihre Lebensdauer kann bis zu 1 s lang sein (im Vergleich zu durchschnittlich 10⁻⁸ s bei niedrig angeregten Atomen)". In: der Artikel "Rydberg-Atom". Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 27. September 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/rydberg-atom/12659

[2] "Beobachtete n-Quantenzahlen (Hauptquantenzahlen) liegen hier [für Anregungen mit einem Laser] zwischen 10 und 290, während man im Weltraum Rydberg-Atome von bis zu n = 350 gefunden hat." In: der Artikel "Rydberg-Atom". Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 27. September 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/rydberg-atom/12659

[3] Im Labor: "Atoms in high-lying Rydberg states with large values of the principal quantum number n, n ≥ 300, form a valuable laboratory in which to explore the control and manipulation of quantum states of mesoscopic size using carefully tailored sequences of short electric field pulses whose characteristic times (duration and/or rise/fall times) are less than the classical electron orbital period." In: Dunning, F. B., et al. "Engineering atomic Rydberg states with pulsed electric fields." Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, vol. 42, no. 2, 2009, p. 022001. Online: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-4075/42/2/022001