Да, можно сделать атом макроскопическим, и это называется «атомом Ридберга». В таком атоме возбуждённые электроны, окружающие атомное ядро, находятся почти на пороге полного отрыва от ядра. Чтобы увидеть атом Ридберга, можно взглянуть на небо, на туманность, подобную изображённой на рисунке ниже. Туманности полны атомов водорода, а красное свечение возникает в результате возбуждённых состояний этих атомов. Некоторые из них, вероятно, являются ридберговскими атомами.
Например, атом водорода в основном состоянии имеет радиус всего 37 пикометров, но «сверхвозбуждённые» формы этого атома были обнаружены в межзвёздной среде. Некоторые из этих атомов имеют радиус 0,339 миллиметра, достаточно большой, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом!
Межзвёздная среда, находящаяся внутри туманностей, имеет очень низкую плотность и легко сохраняет возбуждённые состояния атомов и молекул в течение длительного времени, достаточного для того, чтобы эти нестабильные в других отношениях частицы можно было наблюдать спектроскопически.
Чтобы создать гигантский атом, вы должны постоянно снабжать его электроны энергией, но не настолько, чтобы атом ионизировался. По сути, вы должны оставаться ниже первой энергии ионизации при передаче энергии электронам. В примере с водородом это пороговое значение составляет 1312 килоджоулей на моль атомов водорода. Вам нужно будет заставить электрон оставаться на атомной орбитали очень высокой энергии с очень высоким квантовым числом. Такая атомная орбиталь будет иметь черты ридберговского атома, такие как большой размер (порядка нанометров или больше) и слегка изменённое поведение по отношению к ядру.
Эти ридберговские состояния находятся рядом с потенциалом ионизации. Чтобы получить настоящий большой ридберговский атом из водорода, вам нужно дать электрону, вращающемуся вокруг атома водорода, немного меньше 1312 килоджоулей на моль энергии, и сохранить сборку возбуждённых атомов в среде с низкой плотностью, где они не собираются сталкиваться друг с другом или с другими атомами и молекулами, которые могут реагировать с ними.
Когда электроны удерживаются на далёких энергетических уровнях, они вращаются как будто вокруг водородного ядра, как если бы ядро атома состояло только из одного протона, а их волновые функции имеют сотни радиальных узлов.
Некоторые состояния Ридберга, которые наблюдались с помощью спектроскопии, могут иметь до 252 узлов. В этом состоянии электрон буквально «не знает», покинуть ли ядро атома или остаться с ним. Атомы Ридберга не особенно стабильны в повседневных условиях, поэтому они должны генерироваться в условиях низкой плотности, таких как космическое пространство или лабораторные установки.
Молекулам также можно придавать ридберговские состояния. Для производства молекул Ридберга использовался рубидий. Подобные ридберговские состояния были созданы и для других молекул, и их можно смоделировать с помощью квантовой теории.
Из-за большого количества узлов, присутствующих в этом высоковозбуждённом состоянии, электрон находится далеко от ядра. Плотность вероятности мала в середине орбитали, но высока около ядра и самых дальних частей. Такие молекулы, как и ридберговские атомы, нестабильны в обычных условиях, но могут выжить в лабораторных условиях или в открытом космосе. Таким образом, и ридберговские атомы, и молекулы могут приближаться к макроскопическим размерам, хотя их трудно наблюдать в момент их образования.
По материалам публикации (англ.).