Doświadczenie Lamba-Retherforda – pomiar przesunięcia Lamba

Prezentacja na temat: "Doświadczenie Lamba-Retherforda – pomiar przesunięcia Lamba"— Zapis prezentacji:

1 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 12

2 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 12

3 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 detektor + B 2P1/2 2S1/2 mJ= –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 12

4 Podwójny rezonans (optyczno-radiowy)
Pompowanie optyczne – podwójny rezonans 2P1/2 2S1/2 mJ= –1/ /2 detektor + B 2P1/2 2S1/2 mJ= –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 12

5 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   Idet obrazowanie medyczne (spolaryz. 3He*, 129Xe) przygot. czystych stanów kwantowych np. do kryptografii kwantowej etc... etc... Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12 etc... etc...

6 Spektroskopia laserowa
Lasery – : Basow, Prochorow, Townes za co kochamy lasery? monochromatyczność kolimacja spójność intensywność (spektralna i przestrzenna gęstość energii) Ch.H N.G A.M. Townes, Basow, Prochorow Zastosowania w klasycznej spektroskopii np. absorpcyjnej: detektor próbka źródło – lampa spektr. ogranicz. zdoln. rozdz. (szer.instr.) ogr. czułość (droga opt.) spektroskop/ monochromator np. widmo Fraunhoffera  I0   T  ħ Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

7 Lasery w spektroskopii klasycznej
detektor próbka lampa spektr. spektroskop/ monochromator detektor próbka laser przestraj. monochromatyczność  zwiększ. zdolności rozdz (instr  doppler)  T   T  kolimacja  zwiększ. czułości (drogi opt.) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

8 Laserowa spektroskopia bezdopplerowska
1981, N. Bloembergen, A. Schawlow Spektroskopia nasyceniowa Spektroskopia dwufotonowa Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

9 Nasycenie:   słabe pole EM (mało fotonów/sek)  1/I
 śr. populacje ubytek fotonów  spektro.abs. rozprosz. fot.  fluorescencja  spektro. emisyjna silne pole EM (dużo fotonów/sek)  1/I   śr. populacje 0 I oscylacje Rabiego Nasycenie abs. (przejścia) przez silne pole  próbka prawie przezroczysta = Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

10 Selekcja prędkości prawdopodobieństwo absorpcji fotonu ef. Dopplera: 
 Lab    Lab  Lab rozszerzenie dopplerowskie Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

11 Selekcja prędkości – c.d.
słabe pole silne pole kz N2(z) N1(z) kz N2(z) kz N1(z) nasycenie wybranej grupy atomów wybranej (selekcja prędkości) dla wiązki o częstości L w rezonansie są atomy o prędkości Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

12 w. próbkująca (–k) w. nasycająca (+k)
gdy 1 wiązka laserowa przestrajana wokół 0 1 wiązka   T kz  nasycane różne klasy prędkości  zmniejszenie kontrastu widma abs. i poszerzenie linii bo gdy 2 wiązki (słaba + silna) Wzm. fazoczuły laser przestraj. w. próbkująca (–k) w. nasycająca (+k) próbka detektor Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

13 1. Spektroskopia saturacyjna
Eliminacja poszerzenia dopplerowskiego: 1. Spektroskopia saturacyjna +k –k kz = 0 =     L  kalibracja skali !!! 0 Laser T 1/ D Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

14 2. Spektroskopia dwufotonowa
Reguły wyboru dla jednofotonowych przejść E1 (El-dipol.)  zmiana parzystości między stanami o tym samym l potrzeba 2n fotonów  małe prawdopodobieństwo – możliwe tylko dla silnych pól EM Parity (+) 1 (+) ħ2 ħ1 E2 – E1= ħ(1+ 2) Ef. Dopplera + Założenie 1= 2=    N2() = ħ(2 – 2k•)   = ħ(2 + 2k•)   N2() = ħ(2 + k• – k•) = 2 ħ   kompensacja ef. D. niezależnie od  !   N2() wszystkie atomy dają wkład  nadrabiane małe prawdopodobieństwo Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12