Podsumowanie W5: Magnetyzm atomowy: efekt Zeemana

Prezentacja na temat: "Podsumowanie W5: Magnetyzm atomowy: efekt Zeemana"— Zapis prezentacji:

1 Podsumowanie W5: Magnetyzm atomowy: efekt Zeemana
atom w polu magnetycznym – dodatkowy człon w Hamiltonianie: ef. Zeemana w słabym polu w sprzężeniu L-S: Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

2 od lewej: Peter Zeeman, Albert Einstein, Paul Erhenfest
(źródło: Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

3 Silne pola magnetyczne – ef. Paschena-Backa (sprzęż. L-S)
Silne pole, tzn. TLS < W < TES → rach. zaburzeń  zaniedb. oddz. L • S  hamiltonian H0+TES+ W, bez pola, f. falowe {|k = |E0LS mLmS } – wartości wł. E0 (2L+1)(2S+1) x zdegenerowane w bazie |E0LS mLmS , Lz i Sz są diagonalne: poprawka na oddz. z B: np. konfiguracja p2  wprowadzamy poprawkę TLS ; k mS mL mL+2mS 1 -1 -3 2 -2 3 4 5 6 7 8 9 A mL mS A –A  +  Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

4 Przykład efekt Paschena-Backa dla konfiguracji p2
mS mL mL+2mS 1 -1 -3 2 -2 3 4 5 6 7 8 9 A mL mS mS+mL A -2 -1 –A 1 2 H0+TES +W +TLS H0+TES +TLS +W mS+mL to „dobra” liczba kwantowa Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

5 Pola pośrednie  Trzeba stosować poprawkę
- zaburzenia od oddz. z polem i LS tego samego rzędu  Trzeba stosować poprawkę bezpośrednio do H0+VES  J, mL, mS nie są dobrymi liczbami kwant. – W nie komutuje z J2 ani z Lz , Sz . Komutuje z Jz=Lz+Sz  mJ=mS + mL to dobra liczba kwantowa nieliniowa zależność energii podpoziomu m od pola mgt (konieczna dokładna diagonalizacja → oblicz. numeryczne) reguły: ) wartość mJ jest zachowana B; ) podpoziomy o tym samym mJ się nie przecinają (inne mogą) ) podpoziomy o max. mJ się nie mieszają - zależą liniowo od B Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

6 Wpływ jądra na str. poz. elektronowych w atomie
skończona masa jądra  efekt izotopowy: a) efekt masy (normalny)  EM, M+1 M –2 ważny dla lekkich atomów (+ specyficzny efekt masy – zależny od korelacji elektronów) r VC pot. kulombowski V(r) b) efekt objętościowy VM M VM+ M M+ M ważny dla cięższych atomów inf. o rozkładzie ładunku w jądrze V Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

7  struktura nadsubtelna (magnetyczna)
spin jądra  struktura nadsubtelna (magnetyczna) I  0  (gI = jądrowy czynnik Landego)  << WLS a = a(J)  5 4 3 2 F 5a 4a 3a 2P3/2 I =7/2 np. (reg. interwałów)  Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

8 niesferyczny rozkład ład. jądra
5 4 3 2 F 7/28 b 13/28 b 5/28 b 15/28 b 5a 4a 3a 2P3/2 I=7/2 niesferyczny rozkład ład. jądra  str. nadsubtelna (elektryczna) [Q =eQzz (I  1)] moment kwadrupolowy oddziałuje z gradientem pola Q  0 Q  0  potrzebne pole niejednorodne; trzeba L>0  Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

9 struktury nsbt.– ef. Backa-Goudsmita
Efekt Zeemana struktury nsbt.– ef. Backa-Goudsmita H = H0+VES+VLS+VIJ+ W tw. Wignera-Eckarta  gJ 1, gI 10 -3  dominuje pierwszy człon pola słabe: W << VIJ pola pośrednie: pola silne: W >> VIJ porówn. z ef. Paschena-Backa Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

10 ef. Zeemana ef. Backa-Goudsmita
3P0,1,2 + I=1/2 J=2 J=1 J=0 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

11 Porównanie z ef. Paschena-Backa
bez str. nsbt.: słabe pole silne pole ze str. nsbt.: Stan J=0 rozszczepiony na 2 podpoz. (mI=1/2), rozszczepienie ~gI (b. małe i nie widoczne na rysunku) atom z I0 ma w b. silnym polu strukturę efektu P.-B. + str. nadsubtelną Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

12 Atom w polu elektrycznym:
jonizacja polowa: V(r) V(z) V= –e Ez z z e– ion signal ionization field Ez [V/m]  metoda detekcji wysoko wzbudzonych (rydbergowskich) stanów atomowych oddz. atomu z polem E (model klasyczny): indukowany moment elektr.:  E z Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

13  W’k  0 dla stanów z określoną parzystością !
Efekt Starka: 1 poprawka do en. stanu |k =|J, mJ ,  liniowy ef. Starka  W’k  0 dla stanów z określoną parzystością ! Parzystość: Ale! Gdy degeneracja przypadkowa – nieokreślona parzystość  liniowy efekt Starka możliwy jest w atomie H 2 poprawka: 106 V/cm 105 V/cm kwadratowy ef. Starka  Nobel 1919 – –  E = (R ’J – T ’J mJ2) Ez2 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

14 Przykłady: 3 2P3/2 3 2P1/2  3 2S1/2  E=0 E  0 mJ
D1 D2  3,6 GHz 2,9 GHz 1,5 GHz E  0 3/2 1/2 1/2 mJ 250kV/cm: 1. Kwadratowy efekt Starka: atom 23Na, linie D1 D2 (589 i 589,6 nm)  E = (R ’J – T ’J mJ2) Ez2 2. Efekt Starka w atomie wodoru: stan podst. n=1, l=0 (brak degeneracji)  możliwy tylko efekt kwadratowy dla n  2, (degeneracja ze wzgl. na l)  efekt liniowy 2 2S , 2 2P E=0 1/2 ml: E  0 w silnym polu (zaniedb. spin el.): w słabym polu: 2 2S1/2 , 2 2P1/2 2 2P3/2 E=0 E  0 1/2 1/2, 3/2 mJ: @100 kV/cm, E = 360 GHz ! por. z at. Na  n=2 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

15 Podsum. rzędy wielkości:
oddział. z zewn. polami (B, E) mF , mJ , m = mL + mS mJ + mI Wext H0 n HES n, l n, S, L HLS J - str. subtelna - str. nadsubtelna HIJ F + przesunięcie izotopowe a) defekt kwantowy b) przybliżenie pola centralnego + poprawka (całka kulomb. i całka wymiany) ef. relatywist. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6

16 kwestia zdolności rozdzielczej !!!
Przykłady widmo wodoru seria Balmera  n=2  H = 656,3 nm kwestia zdolności rozdzielczej !!! Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2009/10. wykład 6