Podsumowanie W9 - Oddz. atomów z promieniowaniem EM

Prezentacja na temat: "Podsumowanie W9 - Oddz. atomów z promieniowaniem EM"— Zapis prezentacji:

1 Podsumowanie W9 - Oddz. atomów z promieniowaniem EM
fala płaska propagująca wzdłuż 0y, spolaryzowana wzdłuż 0z działa na q : H0 W(t) 1 2 << l p a gdy przybliżenie dipolowe,  reguły wyboru |(x, t1)|2 stany niestacjonarne (x, t)=C1(t)U100(x)+C2(t)U210(x) polaryzacja światła w efekcie Zeemana D(t)= (t)|D|(t) 2p  1s   (normalny ef. Zeemana, S=0) B || 0z z B D+1(t)  D0(t)  D–1(t)  Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2010/11. wykład 10

2 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 jest początkowy   0, t, Pi-f =P() ma max. absorpcja emisja (wymuszona) Em. spont. – QED    Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2010/11. wykład 10

3 rezonans optyczny t2> t1 
(|W|2/4 ħ2) t2 fi  Pi-f t1 t2> 4/ t 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 niemonochromatyczne – trzeba wycałkować P() po rozkładzie   prawdopodobieństwo 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, 2010/11. wykład 10

4 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. - bezpośrednio  ubytek fotonów - pośrednio  wzbudzenie określonego stanu atomowego  wtórny proces (emisja fotonu, ładunku – jonizacja, reakcja chem.) kontrola stanu atomów za pomocą zewn. czynników modyfik. struktury (ef. Zeemana/Starka, opt. nieliniowa, „atom ubrany”) manipulacja ruchem atomów w fazie gazowej obserwacja emisji światła  tylko wizualizacja  tylko natężenie  analiza spektralna Interdyscyplinarność – np. „atomowa fizyka c. stałego Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2010/11. wykład 10

5 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, nowa fizyka” (atomy ‘egzotyczne’, rzadkie lub nietrwałe izotopy, atomy w stanie degeneracji kwantowej, etc.) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2010/11. wykład 10

6 typowe energie 1-10 eV: IR-UV (VUV)
Metody: 1. Spektroskopia (UV-VIS-IR, rf), laserowa, jonizacyjna przejścia wew keV (prom. X) Ale! ultra-zimne atomy eV (100 nK) typowe energie 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, 2010/11. wykład 10

7 „globalny magnetometr”
Problemy: a) techniczne: 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 „globalny magnetometr” oddz. pojed. atomów z pojed. fotonami ‘nowe stany materii’ - degeneracja kwantowa (BEC, zimne fermiony) „doświadczalna mech. kwant.” .... Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2010/11. wykład 10

8 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, 2010/11. wykład 10

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, 2010/11. wykład 10

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 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, 2010/11. wykład 10

11 James Franck & Gustav Hertz
Dośw. Francka-Hertza James Franck & Gustav Hertz – dośw. 1913, 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 Z parami rtęci zachodzą zderzenia elektronów z atomami: sprężyste, gdy atom nie przejmuje energii elektronu niesprężyste, gdy en. kinetyczna elektronu  en. wewnętrzna atomu (proces rezonansowy) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2010/11. wykład 10

12 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, 2010/11. wykład 10

13 Doświadczenie Sterna-Gerlacha
(dośw. 1920, Stern 1943) skolimowana (szczelinami) 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 tymczasem obserwowano: B=0 B0 B Wnioski: kwantyzacja przestrzenna krętu, możliwy pomiar atomowego 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, 2010/11. wykład 10

14 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 0.5 1 fi  2/ ponadto możliwe: – rozszerzenie zderzeniowe, – rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2010/11. wykład 10

15 Przykład ograniczeń wynikających ze skończonej szerokości linii
(ilustracja do zadania domowego na ćwiczenia) Przykład współczesnych zastosowań zjawiska Sterna-Gerlacha. W temp. ok nK wytwarzany jest kondensat Bosego-Einsteina (87Rb). W różnych warunkach dośw. może być on w różnych stanach mF, które dzięki ef. Sterna-Gerlacha mogą być rozseparowane przestrzennie. mF=2 1 -1 -2 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2010/11. wykład 10