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: Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 9

Oddz. atomów z promieniowaniem EM Pole EM - potencjały: A(r, t) i V(r) Zał. - fala płaska propagująca wzdłuż 0y i spolaryzowana wzdłuż 0z: cząstka o ładunku q w polu H0    W(t)     Wyjątki: atomy rydbergowskie (duże n), X,  Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 9

Przybliżenie dipolowe gdy można stos. przybliżenie (  ) oraz W2 =0, czyli Pole może indukować przejścia mdzy poz. i-f jeśli f|W|i 0 gdy czyli f |pz| i=im f |z| i (jak klasyczne oddz. dipolowe)  Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 9

Reguły wyboru Parzystość: dla f |z| i 0, konieczna zmiana parzystości  l = lf - li = 1 (reguła Laporte’a) Parzystość: ponadto, f |z| i 0  m = mf - mi = 0, f |x, y| i 0  m = mf - mi = 1 inne reguły zależne od typu wiązania, np. dla L-S: - zakaz interkombinacji: S=0 - J=0, 1 gł. l. kwant. n – bez ograniczeń (ale gdy n duże – słabe nakładanie się radialnych f. falowych) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 9

Dla innych typów przejść, – inne operatory oddz. [kolejne el. szeregu A(r, t) = A0 e-ik•r )] A•p = E•D + ExQxx + B•M + ... D E Q M B Dla innych typów przejść, DE(E1) QE(E2) DM(M1) + (M2), (E3) 1896 Lorentz & Zeeman 1930, Frerichs & Campbell 1934 Niewodniczański Reguły wyboru dla innych polowości – inne el. macierz. – inne reguły DE l=2 l=1 l=0 DM, QE QE WDM = -(q/2m)(Lx+2Sx)Bx cos  t WQE = -(q/2m)(ypz+zpy)Ex cos  t – na ogół, gdy WDE= 0, wówczas inne polowości przejść możliwe – linie wzbronione, (znacznie słabsze, bo dla   500 nm, y  a0  0,05 nm czynnik k y  10-8 )  znaczenie dla wzorców czasu/częstotliwości Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. 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, 121,5 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= 2π ħ /(E2p-E1s), C1= – C2 : x |(x, t2)|2 U100 ( ) U210 (x, t2)=c(U100 – U210) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. 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, 2009/10. wykład 9

Obserwacja Przykład – ef. Zeemana linii 553,5 nm Ba (1S0-1P1) B=0 oscylujący dipol  fale EM o częst. 0 , 0 i polaryzacji wynikającej z polaryzacji dipola i z poprzeczności fal : 1P1 1S0 Przykład – ef. Zeemana linii 553,5 nm Ba (1S0-1P1) B=0 Ba138, Ba137, Ba136 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, 2009/10. wykład 9

Normalny ef. Zeemana - widmo kadmu (112Cd ma S=0) ← obserwacja w kierunku z ← obserwacja w kierunku x Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. 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 zależnie od tego, który stan pocz.   0, t, Pi-f =P() ma max. absorpcja emisja (wymuszona) Em. spont. – QED    Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. 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 (stacjonarne zaburz.), mimo to |A+|  | A–| - mieszanie stanów przez stałe pole Gdy pole niemononchromatyczne – trzeba wycałkować P() po rozkładzie   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, 2009/10. wykład 9

fizyki atomowej Metody doświadczalne Interdyscyplinarność 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 Interdyscyplinarność – np. „atomowa fizyka c. stałego Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. 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, 2009/10. 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, 2009/10. 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) „doświadczalna mech. kwant.” .... Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. 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, 2009/10. 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, 2009/10. wykład 9

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, 2009/10. wykład 9