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 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. 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. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. 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, 2004/05. 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, 2004/05. wykład 10

Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego na ogół D  100 nat ale D  gdy: T  0  gaz  skolimowana wiązka atom./molek. + prostopadłe wzbudzanie i obserwacja  k  metody radiospektroskopii, spektroskopii laserowej, chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. 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, 2004/05. 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, 2004/05. 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, 2004/05. 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, 2004/05. wykład 10

wyniki E=1057,77  0,10 MHz Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 10

Radiospektroskopia dla r.f. A21<<B21   precyz. pomiar b. małych str. spektr. 2 1 dla r.f. A21<<B21 B Idet En. m=+1/2 ħ m=-1/2 konieczna różnica populacji:  0.5 1 fi  2/ P()  selekcja stanów w exp. Sterna-Gerlacha  różnica czasów życia (2S, 2P w dośw. L.-R.)  pompowanie optyczne rezonans: optyczny, NMR,.. zasada zachow. energii Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 10

Pompowanie optyczne: rezonans optyczny – zasada zachow. energii ħ= ħfi 1966, Alfred Kastler foton niesie też kręt – zas. zachow. mom. pędu (W. Rubinowicz, 1932)    ħ  absorpcja fotonu zmienia rzut krętu atomowego 2P1/2 2S1/2 mJ= –1/2 +1/2 detektor + B 2P1/2 2S1/2 mJ= –1/2 +1/2 detektor + B time różnica populacji (orientacji krętu J)  rezonans między mJ= –1/2 i +1/2 selekcja stanów kwantowych (S.-G.) met. spinowej polaryzacji tarcz gazowych („magnesowanie gazu”), Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 10

Radiospektroskopia dla r.f. A21<<B21   precyz. pomiar b. małych str. spektr. 2 1 dla r.f. A21<<B21 B Idet En. m=+1/2 ħ m=-1/2 konieczna różnica populacji:  0.5 1 fi  2/ P()  selekcja stanów w exp. Sterna-Gerlacha  różnica czasów życia (2S, 2P w dośw. L.-R.)  pompowanie optyczne rezonans: optyczny, NMR,.. zasada zachow. energii Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 10

Pompowanie optyczne: rezonans optyczny – zasada zachow. energii ħ= ħfi 1966, Alfred Kastler foton niesie też kręt – zas. zachow. mom. pędu (W. Rubinowicz, 1932)    ħ  absorpcja fotonu zmienia rzut krętu atomowego 2P1/2 2S1/2 mJ= –1/2 +1/2 detektor + B 2P1/2 2S1/2 mJ= –1/2 +1/2 detektor + B czas sygnał z detektora natężenie światła  różnica populacji (orientacji krętu J)  rezonans między mJ= –1/2 i +1/2 selekcja stanów kwantowych (S.-G.) met. spinowej polaryzacji tarcz gazowych („magnesowanie gazu”), Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 10

pompowania optycznego: Zastosowania liczne! magnetometry – pomiar częst. rez. między podpoz. zeem. (cz. Larmora)  pomiar B (dokładność porówn. ze SQUID-em) + B? B1cost  = E/ħ = (m gJ B /ħ) B zegary atomowe – induk. rez. między poziomami str. nsbt. m=0 – m’=0 (słabo zależą od zewn. czynników – dobry wzorzec częstości) masery m’=0 m=0 B F’=2 0 F=1 0  Idet obrazowanie medyczne (spolaryz. 3He*, 129Xe) przygot. czystych stanów kwant. np. do kryptografii kwantowej etc... etc... Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 10