Streszczenie W8: Widma molekularne: Oddziaływanie atomów z polami EM:

Transkrypt

1 Streszczenie W8: Widma molekularne: -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: Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 1/18

2 Reguły wyboru dla z i 0, konieczna zmiana parzystości l = l - l i = 1 (reguła Laporte a) ponadto, z i 0 m = m m i = 0, x, y i 0 m = m m i = 1 Zasada zachowania krętu (spin otonu = 1) inne reguły zależne od typu wiązania, np. dla L-S: - zakaz interkombinacji: S=0 - J=0, 1 Parzystość: l P ( 1) i ( 1) r r, k z k k z k L 0 gł. l. kwant. n bez ograniczeń (ale gdy n duże słabe nakładanie się radialnych. alowych) Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) /18

3 Dla innych typów przejść, inne elementy macierz. inne reguły W DM = -(q/m)(l x +S x )B x cos t W QE = -(q/m)(yp z +zp y )E x cos t inne operatory oddz. [kolejne el. szeregu A(r, t) = A 0 e -ik r )] 1 e iky 1iky ( ky) A p = E D + E x Q xx + B M Lorentz & Zeeman E l= l=1 l=0 D 1930, Frerichs & Campbell na ogół, gdy W DE = 0, wówczas inne polowości przejść możliwe linie wzbronione, (znacznie słabsze, bo dla 500 nm, y a 0 0,05 nm czynnik k y 10-4 ) DE DE E Q DE(E1) QE(E) DM(M1) + (M), (E3) 1934 Niewodniczański Reguły wyboru dla innych polowości A p i QE B M DM, QE DM, QE Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 3/18

4 Stany niestacjonarne gdy pole EM indukuje przejścia, tzn. W i 0, stan układu staje się niestacjonarną superpozycją i i. Np. 1s p w wodorze (linia Ly, 11,5 nm): i = U 100 (x), = U 10 (x) (x, t)=c 1 (t)u 100 (x)+c (t)u 10 (x) c[ e U ( x) e U ( x)] E i 1s t 100 E i p t t 1 : C 1 t =t 1 +T/, (x, t 1 )=c(u U 10 ) T= π ħ /(E p -E 1s ), C 1 = C : (x, t )=c(u 100 U 10 ) U 100 ( x ) U 10 ( x ) U 100 U 10 ( x ) ( x ) (x, t 1 ) (x, t (x, t ) ) Oscy lacje ładu nku!!! 0 x 0 0 x Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 4/18

5 Polaryzacja światła w eekcie Zeemana (normalny e. Zeemana, S=0) p 1s m = +1 B 0z D x +1 = d cos ( + ) t D y +1 = d sin ( + ) t D z +1 = 0 m = 0 D x 0 = D y 0 = 0 m = 1 D z 0 = d cos t D x 1 = + d cos ( ) t D y 1 = d sin ( ) t D z 1 = 0 w stanie stacjonarnym D= 0, ale pod wpływem ali EM niestacjonarna superpozycja: (0)=cos U sin U 1m (t) =cos U sin e -i( +m)t U 1m D(t)= (t) D (t) rotacja wektora D +1 (t) w płaszcz. x-y wokół 0z z częstością + oscylacja wektora D 0 (t) wzdłuż 0z z częstością rotacja wektora D 1 (t) w płaszcz. x-y wokół 0z z częstością B B B z z z Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 5/18

6 Obserwacja oscylujący dipol ale EM o częst. 0, 0 i polaryzacji wynikającej z polaryzacji dipola i z poprzeczności al : Przykład e. Zeemana linii 553,5 nm Ba ( 1 S 0-1 P 1 ) B=0 obserwacja B: z B Ba 138, Ba 137, Ba P 1 1 S 0 obserwacja B: B z tylko liniowa polaryz., tylko kołowa polaryz. +, m= 1, m=0, m= 1 m= +1 m= 1 Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 6/18

7 Widmo kadmu ( 11 Cd ma S=0) obserwacja w kierunku z obserwacja w kierunku x Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 7/18

8 Absorpcja i emisja światła przejścia wymuszone przez zewn. pole EM, rach. zaburzeń zal. od czasu: H=H 0 +W(t) i W(t)= D E sin t = W sin t=0, (0) = i (t) = c n (t) n P (1) i ( t) cn ( t ) P i ( t) W i 4 1 e i( ) t i i 1 e i( ) t i i A + A 0, i E Ei 0 i > 0 i i < 0 i t, P i- =P() ma max. Gdy i, A + 1/ << A 1 absorpcja Gdy i, A + 1 >> A 1/ emisja (wymuszona) Em. spont. QED Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 8/18

9 rezonans optyczny P i W i ( t) 4 A A W i 4 i sin t i związek z relacją nieokreśloności: 4/t i 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 enomenologiczny opis emisji spontanicznej: P i ( t) t t 1 i sin t e ( ) ( i i 1 ) t 1 dt zagadnienie szerokości linii widmowych Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 9/18 P i ( W /4 ħ ) t / 4/ t t > t 1 i linie widmowe to lorentzowskie krzywe rezonansowe o skończonej szerokości

10 Metody doświadczalne izyki atomowej Obiekt badań - atomy/cząsteczki Gaz, ew. ukierunkowane wiązki at/mol. (w azie ciekłej/stałej silne oddz. międzycząstkowe zmieniają strukturę poziomów i własności) Elementarne warunki prowadzenia doświadczeń: dostępność swobodnych atomów/molekuł możliwość ich obserwacji a) bezpośr. wizualizacja b) obserwacja emisji św. c) obserwacja absorpcji św. - bezpośr. ubytek otonów tylko wizualizacja tylko natężenie analiza spektralna - pośrednio wzbudzenie określ. stanu at. wtórny proces (emisja otonu, ładunku jonizacja, reakcja chemiczna) kontrola stanu atomów za pomocą zewn. czynników a) modyik. struktury (e. Zeemana/Starka, opt. nieliniowa, atom ubrany ) b) manipulacja ruchem atomów w azie gazowej c) obserwacja emisji św. Interdyscyplinarność np. atomowa izyka c. stałego Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 10/18

11 Cele: 1. 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,...) 3. 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; inormatyka kwantowa) b) z innymi atomami (zderzenia) 4. nowe atomy (atomy egzotyczne, rzadkie lub nietrwałe izotopy, atomy w stanie degeneracji kwantowej) Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 11/18

12 Metody: 1. Spektroskopia (UV-VIS-IR, r), laserowa, jonizacyjna typowe energie 1-10 ev: IR-UV (VUV). Pomiary czasowych zmian emisji po impuls. wzbudzeniu, szerokości linii 3-4. Metody niestandardowe: ultraprecyzyjna spektroskopia, chłodzenie i pułapkowanie, pomiary pojedynczych atomów. Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 1/18

13 Problemy: a) techniczne: dostępność źródeł światła (odpow., natęż., selektywność monochr.) możliwość trzymania atomów (pułapkowania) czuła detekcja, dokładne pomiary zdolność rozdzielcza... b) izyczne: oddz. promieniowania z materią weryikacja teorii dośw. teoria - kwantowe superpozycje stanów atomowych/otonowych (np. stany splątane) - przeskoki kwantowe - otony w nowych środowiskach (otonika, nanostruktury) Np. Balmer model Bohra, str. subt. spin, QED dośw. Lamba-Retherorda, t. słabych oddz. niezachowanie parzystości,... -oddz. pojed. atomów z pojed. otonami - nowe stany materii - degeneracja kwantowa (BEC, zimne ermiony) doświadczalna mech. kwant.... Podstawy Fizyki Atomowej, 01/13. wykład 9 (na podst. W. Gawlika) 13/18