Streszczenie W8: Widma molekularne: Oddziaływanie atomów z polami EM: str. rotacyjna, oscylacyjna, rotacyjno-oscylacyjna, wykresy Fortrata str. elektronowa – zasady Borna-Oppenheimera i Francka-Condona  wyznaczanie parametrów cząsteczek Oddziaływanie atomów z polami EM: Przybliżenie dipolowe (gdy a<<) W = -(q/m)A• p = -D• E Reguły wyboru (różne dla różnych typów przejść (polarności), dla elektrycznych dipolowych, tzw. E1: -) konieczna zmiana parzystości  l = lf - li = 1 (reguła Laporte’a) -) zasada zachowania krętu i jego rzutu: m = mf - mi = 0, 1 -) inne reguły zależne od typu wiązania, np. dla L-S a) zakaz interkombinacji: S=0, b) J=0, 1 -) główna l. kwantowa n – bez ograniczeń Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

Stany niestacjonarne gdy pole EM indukuje przejścia, tzn. f|W|i 0, stan układu staje się niestacjonarną superpozycją |i i |f. Np. 1s – 2p w wodorze (linia Ly, 1215 nm): |i = U100(x), |f = U210(x) (x, t)=C1(t)U100(x)+C2(t)U210(x) @  t1 : C1=C2 |(x, t1)|2 ( U100 x ) U210 Oscy lacje ładunku !!! (x, t1)=c(U100 + U210) @  t2=t1+T/2, T= ħ /(E2p-E1s), C1= – C2 : x |(x, t2)|2 U100 ( ) U210 |(x, t2)|2 (x, t2)=c(U100 – U210) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

Polaryzacja światła w efekcie Zeemana  1s   (normalny ef. Zeemana, S=0) B || 0z w stanie stacjonarnym D= 0, ale pod wpływem fali EM  niestacjonarna superpozycja: (0)=cos  U100 + sin  U21m (t) =cos  U100 + sin  e-i( +m)t U21m D(t)= (t)|D|(t) – rotacja wektora D+1(t)  w płaszcz. x-y wokół 0z z częstością  +  z B m = +1 Dx+1= – d cos ( + ) t Dy+1= – d sin ( + ) t Dz+1= 0 – oscylacja wektora D0(t)  wzdłuż 0z z częstością  z B m = 0 Dx0= Dy0= 0 Dz0= d 2 cos  t – rotacja wektora D–1(t)  w płaszcz. x-y wokół 0z z częstością  –  z B m = –1 Dx–1= + d cos ( – ) t Dy–1= – d sin ( – ) t Dz–1= 0 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

Obserwacja Przykład – ef. Zeemana linii 553,5 nm Ba (1S0-1P1) oscyl. dipol  fale EM o częst. 0 , 0   i polaryzacji wynikającej z polaryzacji dipola i z poprzeczności fal : B=0 Ba138, Ba137, Ba136 Przykład – ef. Zeemana linii 553,5 nm Ba (1S0-1P1) obserwacja  B: z B obserwacja || B: z B  ||  tylko liniowa polaryz. ,   –  + tylko kołowa polaryz. +, – 0– 0 0+  0– 0 0+  m= 1, m=0, m= 1 m= +1 m= –1 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

Absorpcja i emisja światła przejścia wymuszone przez zewn. pole EM, @ t=0, |(0) = |i   |(t) = cn(t)|n  f i rach. zaburzeń zal. od czasu: H=H0+W(t) W(t)= – D• E sin t = W sin t A+ A– Gdy   fi , A+1/ << A–1 f i fi > 0 Gdy   –fi , A+1 >> A–1/ i f fi < 0   0, t, Pi-f =P() ma max. absorpcja emisja (wymuszona) Em. spont. – QED    Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

rezonans optyczny t2> t1  (|W|2/4 ħ2) t2 4/ t t2> fi  Pi-f t1 związek z relacją nieokreśloności:   4/t  inne stany mniej ważne (przybliżenie dwupoziomowe, rezonansowe) Gdy  0 (stacjon. zaburz.), |A+|  | A–| - mieszanie stanów przez stałe pole 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 spontanicznej: 0.5 1 fi  2/  linie widmowe to lorentzowskie krzywe rezonansowe o skończonej szerokości  zagadnienie szerokości linii widmowych Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

fizyki atomowej Metody doświadczalne Obiekt badań - atomy/cząsteczki 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 bezpośr. – wizualizacja obserwacja emisji św. 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 modyfik. struktury (ef. Zeemana/Starka, opt. nieliniowa, „atom ubrany”) manipulacja ruchem atomów w fazie gazowej  tylko wizualizacja  tylko natężenie  analiza spektralna Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

Cele: struktura poziomów energetycznych (dla testów modeli teor., dla określenia własności materii, dla wzorców czasu i częstości (zegary atomowe) + metody analityczne prawdopodobieństwa przejść (czasy życia) (dla określenia elem. macierzowych, dla badań linii widmowych, dla badań oddz. atomów z zewn. czynnikami, ....) oddz. atomów z zewn. czynnikami a) z polami (dokładniejsze pomiary ; badanie mechanizmu oddziaływania; badania i wytwarzanie pól EM o nowych własnościach (optyka kwant.); teoria pomiarów; informatyka kwantowa) b) z innymi atomami (zderzenia) „nowe atomy” (atomy ‘egzotyczne’, rzadkie lub nietrwałe izotopy, atomy w stanie degeneracji kwantowej) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

typowe energie 1-10 eV: IR-UV (VUV) Metody: 1. Spektroskopia (UV-VIS-IR, rf), laserowa, jonizacyjna przejścia wew. 1-100 keV (prom. X) Ale! ultra-zimne atomy 10-11 eV (100 nK) typowe energie 1-10 eV: IR-UV (VUV) 2. Pomiary czasowych zmian emisji po impuls. wzbudzeniu, szerokości linii 3-4. Metody niestandardowe: ultraprecyzyjna spektroskopia, chłodzenie i pułapkowanie, pomiary pojedynczych atomów. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

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 b) fizyczne: 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.” .... Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

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, 2004/05. wykład 9

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, 2004/05. wykład 9

Wielkie eksperymenty - era nowożytna E. Cornell, W. Ketterle, C. Wieman Nobel 2001 BEC S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips Nobel 1997 chłodzenie laser. & pułapki atom. N.Basow, A.Prochorow, Ch. Townes, Nobel 1964 N. Ramsey, H. Dehmelt & W. Paul Nobel 1989 Laser spektr. Ramsey’a & pułapki jonowe N. Bloembergen & A. Schawlow Nobel 1981 III rok! spektroskopia laserowa A. Kastler Nobel 1966 pompowanie optyczne W.E. Lamb Nobel 1955 przesunięcie Lamba Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

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 en. kinet. elektronu) Gdy w bańce pary Hg: przy określonym VS, spadek IA (VS=4,9 V) również przy 2VS, 3VS, ... spadek IA Zderzenia el. z atomami: sprężyste, gdy atom nie przejmuje energii elektronu niesprężyste, gdy en. kinet. el.  en. wewnętrzna atomu (proces rezonansowy) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2004/05. wykład 9

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, 2004/05. wykład 9