Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 101 Streszczenie W9: przybliżenie dipolowe stany niestacjonarne – niestacjonarne superpozycje.

Prezentacja na temat: "Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 101 Streszczenie W9: przybliżenie dipolowe stany niestacjonarne – niestacjonarne superpozycje."— Zapis prezentacji:

1 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 101 Streszczenie W9: przybliżenie dipolowe stany niestacjonarne – niestacjonarne superpozycje stanów elektronowych promieniują polaryzacja składowych zeemanowskich = wynik szczególnej ewolucji stanów niestacjonarnych w polu B reguły wyboru – konsekwencja zasad zachowania (pędu, krętu, rzutu krętu)

2 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 102 Polaryzacja światła w ef. Zeemana w stanie stacjonarnym  D  = 0, ale pod wpływem fali EM  niestacjonarna superpozycja:  (0)=cos  U 100 + sin  U 21m  (t) =cos  U 100 + sin  e -i(  +m  )t U 21m  D  (t)=   (t)|D|  (t)  m = +1  D x  +1 = – d cos (  +  ) t  D y  +1 = – d sin (  +  ) t  D z  +1 = 0 2p  1s  (normalny ef. Zeemana, S=0) B || 0z m = –1  D x  –1 = + d cos (  –  ) t  D y  –1 = – d sin (  –  ) t  D z  –1 = 0 m = 0  D x  0 =  D y  0 = 0  D z  0 = d  2 cos  t – rotacja wektora  D  +1 (t)  w płaszcz. x-y wokół 0z z częstością  +  z B – rotacja wektora  D  –1 (t)  w płaszcz. x-y wokół 0z z częstością  –  z B – oscylacja wektora  D  0 (t)  wzdłuż 0z z częstością  z B

3 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 103  0 –   0  0 +   Obserwacja oscylujący dipol  fale EM o częst.  0,  0   i polaryzacji wynikającej z polaryzacji dipola i z poprzeczności fal :  m=  1,  m=0,  m=  1  m= +1  m= –1  ||  tylko liniowa polaryz. ,   – –  + + tylko kołowa polaryz.  +,  – obserwacja || B: z B obserwacja  B: z B  0 –   0  0 +   B=0 Ba 138, Ba 137, Ba 136 Przykład – ef. Zeemana linii 553,5 nm Ba ( 1 S 0 - 1 P 1 )

4 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 104 Absorpcja i emisja światła przejścia wymuszone przez zewn. pole EM, rach. zaburzeń zal. od czasu: H=H 0 +W(t) W(t)= – D E sin  t = W sin  t @ t=0, |  (0)  = |  i   |  (t)  =  c n (t)|  n  fifi  t, P i-f =P(  ) ma max.   0, Gdy    fi, A +  1/  << A –  1 fifi  fi > 0 Gdy   –  fi, A +  1 >> A –  1/  ifif  fi < 0 A + A – emisja (wymuszona) absorpcja Em. spont. – QED   

5 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 105 rezonans optyczny *  inne stany mniej ważne (przybliżenie dwupoziomowe, rezonansowe) Gdy   0 (stacjon. zaburz.), |A + |  | A – | - mieszanie stanów przez stałe pole  zagadnienie szerokości linii widmowych Gdy pole niemononchromatyczne – trzeba wycałkować P(  ) po rozkładzie   0  prawdopod. przejścia na jednostkę czasu - współczynniki Einsteina Gdy poziomy nietrwałe – trzeba uśrednić po czasie uwzględniając fenomenologiczny opis emisji spont.: związek z relacją nieokreśloności:   4  /t linie widmowe to lorentzowskie krzywe rezonansowe o skończonej szerokości 0 0.5 1  fi  2/   fi  P i-f t1t1 (|W| 2 /4 ħ 2 ) t 2 4/ t4/ t t2>t2> 

6 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 106 Metody doświadczalne fizyki atomowej Gaz, ew. ukierunkowane wiązki at/mol. (w fazie ciekłej/stałej – silne oddz. międzycząstkowe zmieniają strukturę poziomów i własności) Elementarne warunki prowadzenia doświadczeń: dostępność swobodnych atomów/molekuł możliwość ich obserwacji a)bezpośr. – wizualizacja b)obserwacja emisji św. c)obserwacja absorpcji św. - bezpośr.  ubytek fotonów - pośrednio  wzbudzenie określ. stanu at.  wtórny proces (emisja fotonu, ładunku – jonizacja, reakcja chemiczna) kontrola stanu atomów za pomocą zewn. czynników a)modyfik. struktury (ef. Zeemana/Starka, opt. nieliniowa, „atom ubrany”) b)manipulacja ruchem atomów w fazie gazowej c)obserwacja emisji św.  tylko wizualizacja  tylko natężenie  analiza spektralna Obiekt badań - atomy/cząsteczki

7 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 107 Cele: 1.struktura poziomów energetycznych (dla testów modeli teor., dla określenia własności materii, dla wzorców czasu i częstości (zegary atomowe) + metody analityczne 2.prawdopodobieństwa przejść (czasy życia) (dla określenia elem. macierzowych, dla badań linii widmowych, dla badań oddz. atomów z zewn. czynnikami,....) 3.oddz. atomów z zewn. czynnikami a) z polami (dokładniejsze pomiary  ; mechanizm oddz.; badania i wytw. pól EM o nowych własnościach (optyka kwant.); teoria pomiarów; inform. kwant.) b) z innymi atomami (zderzenia) 4.„nowe atomy” (atomy ‘egzotyczne’, rzadkie lub nietrwałe izotopy, atomy w stanie degener. kwant.)

8 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 108 Ale! przejścia wew. 1-100 keV (prom. X) ultra-zimne atomy 10 -11 eV (100 nK) Metody: 1. Spektroskopia (UV-VIS-IR, rf), laserowa, jonizacyjna 2. Pomiary czasowych zmian emisji po imp. wzbudzeniu, szerokości linii 3-4. Metody niestandardowe: ultra-precyz. spektroskopia, chłodzenie i pułapkowanie, pomiary pojedynczych atomów. typowe energie 1-10 eV: IR-UV (VUV)

9 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 109 Problemy: a) techniczne: b) fizyczne: dostępność źródeł światła (odpow., natęż., selektywność – monochr.) możliwość „trzymania” atomów (pułapkowania) czuła detekcja, dokładne pomiary zdolność rozdzielcza.... - kwantowe superpozycje stanów atomowych/fotonowych (np. stany splątane) - przeskoki kwantowe - fotony w nowych środowiskach (fotonika, nanostruktury) oddz. promieniowania z materią Np. Balmer  model Bohra, str. subt.  spin, QED  dośw. Lamba-Retherforda, t. słabych oddz.  niezachowanie parzystości,.... weryfikacja teorii dośw.  teoria -oddz. pojed. atomów z pojed. fotonami -‘nowe stany materii’ - degeneracja kwantowa (BEC, zimne fermiony) „dośw. mechanika kwant.”....

10 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 1010 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 fizyki atomowej -prehistoria

11 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 1011 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 Zeeman Nobel 1902  Roentgen Nobel 1901

12 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 1012 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! era nowożytna

13 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 1013 Dośw. Francka-Hertza James Franck & Gustav Hertz – dośw. 1913, 1925 Gdy w bańce próżnia: -elektrony emitowane z K, przyspieszane przez V S -między S i A stały potencjał hamujący (ok. 0,5 V) -gdy V S , I A  (wzrost en. kinet. elektronu) Gdy w bańce pary Hg: -przy określonym V S, spadek I A ( V S =4,9 V) -również przy 2V S, 3V S,... spadek I A Zderzenia el. z atomami: -sprężyste, gdy atom nie przejmuje energii elektronu -niesprężyste, gdy en. kin. el.  en. wewnętrzna atomu (proces rezonansowy)

14 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 1014 Dośw. F-H c.d. ifif Interpretacja: Wnioski: dowód kwantyzacji energii w atomie („niespektroskopowy”), możliwość selektywnego wzbudzania określonych poz. atomowych (inne reguły wyboru niż dla wzbudzania przez absorpcję światła) niesprężyste zderzenia e-Hg  wzbudz. atomu, strata en. elektronu, spadek I A (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

15 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 1015 Doświadczenie Sterna-Gerlacha skolimowana (szczeliny) wiązka at. Ag w próżni (st. podst.: 5s 2 S 1/2, l=0) obserwacja obrazu wiązki na okienku aparatury w niejednor. polu mgt. oddz. z dipolem mgt.: V= – B  obserwowano:B=0 B0B0 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 ) B0B0 B=0B=0 =l+s=l+s  = –  l

16 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 1016 Metodyka ħħ -ogranicz. zdoln. rozdz. (szer.instr.) -ogr. czułość (droga opt.)  I0I0  T np. widmo Fraunhoffera klasyczna metodyka: spektroskop/ monochromator detektor próbka źródło – lampa spektr. Pomiar   wymaga przezroczystego ośrodka ! pomiarów spektroskopowych

17 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 1017 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, str. subtelna interferometry  str. nsbt. ponadto możliwe: – rozszerzenie zderzeniowe, – rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania gaz – ef. Dopplera  rozszerzenie dopplerowskie fundamentalne ograniczenie – rel. Heisenberga:  naturalna szerokość linii spektralnych

18 Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 1018 Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego na ogół   D  100   nat ale  D  gdy: T   0  gaz  skolimowana wiązka atom./molek. + prostopadłe wzbudzanie i obserwacja  metody radiospektroskopii, spektroskopii laserowej, chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów  k