JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 1/21

Streszczenie W9: • stany niestacjonarne

– niestacjonarne superpozycje stanów elektronowych promieniują

• polaryzacja składowych zeemanowskich = wynik szczególnej

ewolucji stanów niestacjonarnych w polu B

• przejścia wymuszone przez zewn. pole EM: absorpcja i emisja

wymuszona – równoprawne procesy – zależne od warunków

początkowych

• przejścia rezonansowe (rezonans optyczny)

a) zależność szerokości rezonansu od czasu obserwacji

b) kształt linii spektralnych

2

2

2

2

1)(

1

2

1

)(

2sin

)(

fi

t

t

fi

fi

fi dte

t

tP

0

0.5

1

fi

2/

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 2/21

Streszczenie W9:

Przedmiot badań – gaz atomowy/molekularny –problemy i warunki techniczne

• Główne cele:

- wyznaczenie struktury poziomów energetycznych

- wyznaczenie prawdopodobieństw przejść

- badanie oddz. z zewn. czynnikami:

a) polami – badania własności pól EM

b) cząstkami – badania zderzeń

- „nowe atomy”, nowe stany materii, ...

• Główne metody

a) spektroskopia,

b) pomiary zależności czasowych,

c) metody niestandardowe (ultra-precyzyjna spektroskopia,

chłodzenie i pułapkowanie, pomiary pojedynczych atomów)

• Wielkie eksperymenty

a) prehistoria (Newton, Fraunhoffer, Bunsen, Kirchhoff, Balmer, Rydberg)

b) historia – dośw. Francka-Hertza – dowód kwantyzacji poziomów en.

c) era nowożytna

Doświadczalne metody fizyki atomowej (generalia)

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 3/21

1665 Isaac Newton

(rozszczepienie światła na

składowe)

Wielkie eksperymenty

1814 Joseph von Fraunhoffer (linie absorpcyjne

w widmie

słonecznym) 1860 Robert Bunsen & Gustav Kirchhoff

(spektroskop pryzmatyczny)

1885 Johan Jakob Balmer

(widmo wodoru)

1889 Johannes R. Rydberg

22

1

2

11

nR

fizyki atomowej -prehistoria

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 4/21

Rabi

Nobel 1944

Stern

Nobel 1943

Wielkie eksperymenty

Raman

Nobel 1930 Franck &

Hertz

Nobel 1925

Stark

Nobel 1919

Barkla

Nobel 1917

Wien

Nobel 1911

Pauli

Nobel 1945

- historia

Planck

Nobel 1918

Schrödinger

& Dirac

Nobel 1933 Heisenberg

Nobel 1932

de Brogllie

Nobel 1929

Bohr

Nobel 1922

Einstein

Nobel 1921

(związek z teorią)

Lorentz &

Zeeman

Nobel 1902

Roentgen

Nobel 1901

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 5/21

R. Glauber,

J. Hall, T. W. Hänsch

Nobel 2005

Wielkie eksperymenty -

E. Cornell, W. Ketterle,

C. Wieman

Nobel 2001 S. Chu,

C. Cohen-Tannoudji,

W. Phillips

Nobel 1997 N. Ramsey,

H. Dehmelt & W. Paul

Nobel 1989

N.Basow,

A.Prochorow,

Ch. Townes,

Nobel 1964 Laser

N. Bloembergen

& A. Schawlow

Nobel 1981

A. Kastler

Nobel 1966 W.E. Lamb

Nobel 1955 przesunięcie Lamba

spektroskopia laserowa

pompowanie optyczne

chłodzenie laser.

& pułapki atom.

spektr. Ramsey’a

& pułapki jonowe

BEC

III rok!

c.d.

Q.Opt. grzebień

S. Haroche

D. Wineland

2012

Pojed. Układy kwant.

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 6/21

Dośw. Francka-Hertza James Franck & Gustav Hertz

– dośw. 1913, 1925

Gdy w bańce próżnia:

-elektrony emitowane z K, przyspieszane przez VS

-między S i A stały potencjał hamujący (ok. 0,5 V)

-gdy VS, IA (wzrost energii kinetycznej elektronu)

Gdy w bańce pary Hg:

-przy określonym VS, spadek IA (VS=4,9 V)

-również przy 2VS, 3VS, ... spadek IA

Zderzenia elektronów z atomami:

- sprężyste, gdy atom nie przejmuje energii elektronu

- niesprężyste, gdy

en. kinet. elektronu en. wewnętrzna atomu

(proces rezonansowy)

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 7/21

Dośw. F-H c.d.

i

f

Interpretacja:

Wnioski: dowód kwantyzacji energii w atomie („niespektroskopowy”),

możliwość selektywnego wzbudzania określonych poziomów atomowych

(inne reguły wyboru niż dla wzbudzania przez absorpcję światła)

• niesprężyste zderzenia e-Hg wzbudzenie atomu,

strata en. elektronu, spadek IA

(może być wielokrotny przekaz en. kinetycznej)

• po wzbudzeniu Hg reemisja fotonów (wzbudzone pary Hg świecą)

253,7 nm

widmo lampy Hg

widmo emisji z bańki

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 8/21

Doświadczenie Sterna-Gerlacha • skolimowana (szczeliny) wiązka at. Ag w próżni (st. podst.: 5s 2S1/2, l=0)

• obserwacja obrazu wiązki na okienku aparatury

• w niejednor. polu mgt. oddz. z dipolem mgt.: V= – ∙B ),cos( Bdz

dBF

z

obserwowano:

B=0

B0 Wnioski: • kwantyzacja przestrzenna krętu,

• możliwy pomiar atom. mom. mgt.

• dowód spinu (l=0, a jednak 0)

(dośw. 1920, Stern 1943)

Met. S-G pozwala na przygotowanie czystego stanu kwantowego, jego selekcję i analizę

oczekiwanie klas.

(dla l 0 )

B0

B=0

=l+s

= –l

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 9/21

aparaturowe ograniczenia zdolności rozdz. instr ogranicz. fizyczne

kwestia szerokości linii widmowych

Dokładność pomiarów spektroskopowych

rozwój technik pomiarowych

poprawa dokładności

Balmer n (model Bohra) Zeeman, Lorentz Spin, struktura subtelna interferometry struktura nsbt.

• ponadto możliwe:

– rozszerzenie zderzeniowe,

– rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania

• gaz – efekt Dopplera

rozszerzenie dopplerowskie

k

MTM

Tk

c

BD 0

0 16,78

• fundamentalne ograniczenie – relacja Heisenberga:

2

tE

1 nat

naturalna szerokość linii spektralnych

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 10/21

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 11/21

Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego

na ogół D 100 nat

ale D gdy:

T

0

gaz skolimowana wiązka atomowa/molekularna

+ prostopadłe wzbudzanie i obserwacja

metody radiospektroskopii,

spektroskopii laserowej,

chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów

k

0

k

k

MTM

Tk

c

BD 0

60 10*16,78

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 12/21

Metoda wiązek molekularnych 1944

Isaac I. Rabi

N

S B N

S B

A

B

Idet

N

S

B=0

Brf

B

En. m=+1/2

ħ m=-1/2

możliwość pomiaru struktury zeeman. i

struktury nsbt. stanów podstawowych

wyznaczenie momentów jądrowych

zegary atomowe

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 13/21

Doświadczenie Lamba-Retherforda – pomiar przesunięcia Lamba 1955

pomiar w zakresie mikrofal (109 Hz)

zamiast w zakresie optycznym (1015 Hz)

istotne własności wodoru:

• stan wzbudz. 2P emituje 121,5 nm ( 10-8s)

• stan wzbudz. 2S metatrwały (ta sama parzystość)

en. 10 eV

• przejścia 2S–2P E1 (el.dipol)

– można indukować elektr. polem o częstości

radiowej (rf – radiofrequency, np. mikrofale – microwaves)

poprawki radiacyjne QED

3

24

2

)(

n

mcZCE

l

zniesienie deg. przypadkowej – rozszczep. 2S i 2P

(przesunięcie Lamba):

trudności pomiaru – poszerz. Dopplera

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 14/21

Tylko dla ...

mechanizm przesunięcia Lamba:

e p e p e p e p

e

e+ + + +

polaryzacja

próżni renorm.

masy anomalny

mom. mgt.

(g=2.0023193..)

– 27 MHz + 1017 MHz + 68 MHz

najsilniejsze efekty dla stanów s

E / ħ = + 1058 MHz

oddz. e - p

przesunięcie Lamba stanu 2s

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 15/21

realizacja doświadczenia

H2 H

2700 K

wzbudz.

do n=2

2S, 2P

(10 eV)

Ly (121,5 nm)

N

S

w

zasada pomiaru – przejście rezonansowe indukowane przez pole w

w

Idet

A

2P

2S

1S

121,5 nm

• stała częstość pola rf

• zmiana rozszczep. zeeman.

zmiana prądu detektora:

JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 16/21

wyniki

E=1057,77 0,10 MHz