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) zależność szerokości rezonansu od czasu obserwacji kształt linii spektralnych 0.5 1 fi  2/ Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Streszczenie W9: Doświadczalne metody fizyki atomowej (generalia) 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 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

fizyki atomowej -prehistoria Wielkie eksperymenty fizyki atomowej -prehistoria 1665 Isaac Newton (rozszczepienie światła na składowe) 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 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Wielkie eksperymenty - historia (związek z teorią)      Franck & Hertz Nobel 1925  Stern Nobel 1943  Rabi Nobel 1944  Pauli Nobel 1945 Raman Nobel 1930 Schrödinger & Dirac Nobel 1933 Stark Nobel 1919  Heisenberg Nobel 1932 de Brogllie Nobel 1929 Lorentz & Zeeman Nobel 1902  Barkla Nobel 1917 Bohr Nobel 1922 Wien Nobel 1911 Einstein Nobel 1921 Roentgen Nobel 1901 Planck Nobel 1918 (związek z teorią) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Wielkie eksperymenty - era nowożytna R. Glauber, J. Hall, T. W. Hänsch Nobel 2005 Q.Opt. grzebień E. Cornell, W. Ketterle, C. Wieman Nobel 2001 BEC S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips Nobel 1997 N.Basow, A.Prochorow, Ch. Townes, Nobel 1964 chłodzenie laser. & pułapki atom. N. Ramsey, H. Dehmelt & W. Paul Nobel 1989 Laser spektr. Ramsey’a & pułapki jonowe III rok! N. Bloembergen & A. Schawlow Nobel 1981 spektroskopia laserowa A. Kastler Nobel 1966 W.E. Lamb Nobel 1955 pompowanie optyczne przesunięcie Lamba Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

James Franck & Gustav Hertz 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) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Dośw. F-H c.d. Interpretacja: Wnioski: 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) i f  253,7 nm widmo lampy Hg widmo emisji z bańki Wnioski: dowód kwantyzacji energii w atomie („niespektroskopowy”), możliwość selektywnego wzbudzania określonych poziomów atomowych (inne reguły wyboru niż dla wzbudzania przez absorpcję światła) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Doświadczenie Sterna-Gerlacha (dośw. 1920, Stern 1943) 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   = –l oczekiwanie klas. (dla l 0 ) B0 B=0 obserwowano: B=0 B0 Wnioski: kwantyzacja przestrzenna krętu, możliwy pomiar atom. mom. mgt. dowód  spinu (l=0, a jednak  0) =l+s Met. S-G pozwala na przygotowanie czystego stanu kwantowego, jego selekcję i analizę Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

pomiarów spektroskopowych Dokładność rozwój technik pomiarowych  poprawa dokładności Balmer  n (model Bohra) Zeeman, Lorentz  Spin, struktura subtelna interferometry  struktura nsbt. aparaturowe ograniczenia zdolności rozdz. instr  ogranicz. fizyczne  kwestia szerokości linii widmowych  gaz – efekt Dopplera rozszerzenie dopplerowskie fundamentalne ograniczenie – relacja Heisenberga: naturalna szerokość linii spektralnych ponadto możliwe: – rozszerzenie zderzeniowe, – rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego na ogół D  100 nat ale D  gdy: T  0  gaz  skolimowana wiązka atomowa/molekularna + prostopadłe wzbudzanie i obserwacja  k  metody radiospektroskopii, spektroskopii laserowej, chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Metoda wiązek molekularnych 1944 Isaac I. Rabi N S B N S B=0 Brf N S B A B En. m=+1/2 ħ m=-1/2 B Idet możliwość pomiaru struktury zeeman. i struktury nsbt. stanów podstawowych  wyznaczenie momentów jądrowych  zegary atomowe Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Doświadczenie Lamba-Retherforda – pomiar przesunięcia Lamba 1955 poprawki radiacyjne QED  zniesienie deg. przypadkowej – rozszczep. 2S i 2P (przesunięcie Lamba): trudności pomiaru – poszerz. Dopplera  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) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

Tylko dla ...  przesunięcie Lamba stanu 2s mechanizm przesunięcia Lamba: e p e p e p e p e + + + e+ polaryzacja próżni renorm. masy oddz. e - p anomalny mom. mgt. (g=2.0023193..) najsilniejsze efekty dla stanów s – 27 MHz + 1017 MHz + 68 MHz  E / ħ = + 1058 MHz  przesunięcie Lamba stanu 2s Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

realizacja doświadczenia wzbudz. do n=2 2S, 2P (10 eV) Ly (121,5 nm) N S w H2 H 2700 K A zasada pomiaru – przejście rezonansowe indukowane przez pole w 2P 2S 1S 121,5 nm w Idet  zmiana prądu detektora: stała częstość pola rf zmiana rozszczep. zeeman. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10

wyniki E=1057,77  0,10 MHz Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10