Streszczenie W10: Metody doświadczalne fizyki atom./mol. - wielkie eksperymenty Dośw. Francka-Hertza – kwantyzacja energii wewnętrznej atomów dośw. Sterna-Gerlacha (wiązka atomowa – kwantyzacja przestrzenna spinów – selekcja stanu kwantowego) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

spektroskop/ monochromator Metodyka pomiarów spektroskopowych klasyczna metodyka – np. spektroskopia absorpcyjna: detektor próbka źródło – lampa spektr. ogranicz. zdoln. rozdz. (szer.instr.) ogr. czułość (droga opt.) spektroskop/ monochromator np. widmo Fraunhoffera  I0   T  ħ Pomiar  wymaga przezroczystego ośrodka !  Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

Dokładność pomiarów spektroskopowych rozwój technik pomiarowych  poprawa dokładności Balmer  n (model Bohra) Zeeman, Lorentz  Spin, str. subtelna interferometry  str. nadsubtelna aparaturowe ograniczenia zdolności rozdzielczej instr  ogranicz. fizyczne  kwestia szerokości linii widmowych  gaz – efekt Dopplera  rozszerzenie dopplerowskie fundamentalne ograniczenie – relacja Heisenberga: naturalna szerokość linii spektralnych .5 1 f i 2/ ponadto możliwe: – rozszerzenie zderzeniowe, – rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania ciecze, ciała stałe – znacznie szersze linie – inne oddziaływania, – inna struktura poziomów Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego (gaz atom/mol) na ogół D  100 nat ale D  gdy: T  0  gaz  skolimowana wiązka atom./molek. + prostopadłe wzbudzanie i obserwacja  k metody: radiospektroskopii (zmniejszanie 0), spektroskopii laserowej (kolimacja , selekcja ) chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów (zmniejsz. ) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

Metoda wiązek molekularnych 1944 Isaac I. Rabi (podobieństwo do dośw. Sterna-Gerlacha) N S B N S B=0 Brf N S B A B En. m=+1/2 ħ m=-1/2 możliwość pomiaru str. zeeman. i str. nsbt. stanów podstawowych  wyznaczenie struktur. energet. z małym 0 (własności jąder)  zegary atomowe B Idet Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

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 - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

Doświadczenie Lamba-Retherforda – pomiar przesunięcia Lamba 1955 poprawki radiacyjne QED  zniesienie deg. przypadkowej – rozszczep. 2S i 2P (przesunięcie Lamba): trudności pomiaru – poszerzenie 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 el. polem rf (mikrofale) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

realizacja doświadczenia elektrony wzbudz. do n=2 2S, 2P (10 eV) Ly (121,5 nm) N S w H2 H 2700 K A zasada pomiaru – przejście rezonansowe induk. przez pole w 2P 2S 1S 121,5 nm w Idet  zmiana prądu detektora: stała częstość pola rf zmiana rozszczep. zeeman. Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

Pompowanie optyczne: 2P1/2 2S1/2 + 2P1/2 2S1/2 + rezonans optyczny – zasada zachow. energii ħ= ħfi 1966, Alfred Kastler foton niesie też kręt – zasada zachow. mom. pędu (W. Rubinowicz, 1932)    ħ  absorpcja fotonu zmienia rzut krętu atomowego (reguła wyboru m=1) 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 (Stern-Gerlach) met. spinowej polaryzacji tarcz gazowych („magnesowanie gazu”), Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

Podwójny rezonans (optyczno-radiowy) Pompowanie optyczne – podwójny rezonans 2P1/2 2S1/2 mJ= –1/2 +1/2 detektor + B 2P1/2 2S1/2 mJ= –1/2 +1/2 detektor + B B1cost BgJB  Idet B En. m=+1/2 ħ m=-1/2 Podwójny rezonans (optyczno-radiowy) szer. linii rezonansowej b. mała (stan podstawowy)  b. precyz. pomiary (ograniczenie: zderzenia) B1=0 B10 częst. przejść od Hz do GHz  „wzmacniacz kwantowy”: kwanty r.f. (10-12 eV) wyzwalają fotony optyczne (eV)  b. duża czułość  gaz buforujący Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11

pompowania optycznego: Zastosowania liczne! magnetometry – pomiar częstości. rez. między podpoz. zeem. (częst. Larmora)  pomiar B (dokładność porówn. ze SQUID-em) + B? B1cost  = E/ħ = (m gJ B /ħ) B zegary atomowe – częst. rez. przejścia między poziomami str. nadsubt. m=0 – m’=0 (słabo zależy 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 kwantowych np. do kryptografii kwantowej etc... etc... etc... Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 11 etc...