Rydberg-Zustand

Ein Rydberg-Zustand (nach Johannes Rydberg) ist ein Zustand eines Atoms, Ions oder Moleküls, bei dem das äußerste Elektron wesentlich weiter vom Zentrum entfernt ist, als im Grundzustand. Dieses Elektron hat also in Kernnähe, aber auch im Bereich, wo sich die anderen (Rumpf-)Elektronen befinden, nur eine sehr geringe Aufenthaltswahrscheinlichkeit, und daher nur geringe Wechselwirkung mit dem Kern (den Kernen) und den anderen, weiter innen liegenden Elektronen.

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Für Atome bedeutet das, dass das Elektron eine hohe Hauptquantenzahl hat. Beim Rydberg-Zustand eines Moleküls ist das äußerste Elektron in einem Molekülorbital, welches aus Atomorbitalen aufgebaut ist, die nicht zur Valenzschale des Moleküls gehören.

Die Energie eines Elektrons in einem Rydbergzustand liegt nur unwesentlich unter dem Vakuumniveau, und ist damit wesentlich höher als die Energie von weiter innen liegenden Elektronen, die eine größere Bindungsenergie haben.

Diese hochliegenden Energieniveaus können durch elektronische Anregung (beispielsweise mit energiereicher Strahlung) besetzt werden. Rydberg-Zustände können aber auch durch Einfang eines Elektrons durch ein Ion entstehen, beispielsweise, wenn dieses nahe an eine Oberfläche kommt und ein Elektron von der Oberfläche auf das Ion übertritt.

Bei Elektronen in weit vom Kern entfernten Rydbergzuständen können viele Eigenschaften durch die klassische Physik, d.h. ohne Berücksichtigung der Quantenphysik beschrieben werden. Dies folgt unmittelbar aus dem Korrespondenzprinzip, das besagt, dass für große Quantenzahlen n die quantenmechanische Beschreibung in die klassische übergeht.

Beispiel

Im Wasserstoffatom ist die 1s-Schale die Valenzschale. Für das H₂-Molekül lassen sich aus den 1s-Atomorbitalen der beiden Atome die Molekülorbitale σ und σ * konstruieren. Jedoch lassen sich auch aus den im Atom unbesetzten 2s-, 2p-, 3s-, ...-Atomorbitalen derartige Molekülorbitale aufbauen, die dann als Rydberg-Zustände bezeichnet werden.

Literatur

H.Dittmar-Ilgen: Erzeugung und Manipulation klassischer Elektron-Orbitale; Naturwissenschaftliche Rundschau 4/2006, S. 206 (H. Maeda; Science 307, 1757 (2005))

Vgl. auch Rydberg-Konstante.