Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Transkrypt

1 Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej Część I: Optyka, wykład 3 wykład: Piotr Fita pokazy: Andrzej Wysmołek ćwiczenia: Anna Grochola, Barbara Piętka Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski 2013/14

2 Plan 1 Pomiary widma 2 Kształty linii 3 Spektroskopia subdopplerowska

3 Pomiar widma światła Spektrometr siatkowy źródło światła detektor (kamera CCD, linijka fotodiod) siatka dyfrakcyjna zwierciadła α β Interferencja konstruktywna: d(sin α sin β) = mλ d [Wikimedia Commons] m - rzad interferencji

4 Pomiar widma światła Spektrometr siatkowy Praktyczna realizacja miniaturowego spektrometru (Ocean Optics) [Ocean Optics]

5 Pomiar widma światła Spektrometr pryzmatyczny Współczynnik załamania pryzmatu zależy od długości fali [Wikimedia Commons] n = n(λ) Dlaczego? O tym na kolejnych wykładach [

6 Spektrometr pryzmatyczny współcześnie Projekt APEX Szerokopasmowy spektrometr do obserwacji ziemi z przestrzeni kosmicznej, pracujacy w zakresie widzialnym ( nm) i podczerwieni ( nm), o rozdzielczości przestrzennej 2-5 m (projekt Europejskiej Agencji Kosmicznej) [eoportal Directory, APEX consortium]

7 Spektrometr pryzmatyczny współcześnie Projekt APEX [eoportal Directory, APEX consortium]

8 Naturalna szerokość linii Liczba przejść spontanicznych: Liczba atomów w stanie wzbudzonym: dn 21 = A 21 N 2 dt (1) N 2 (t) = N 20 e A 21t = N 20 e t/τ (2) Czas życia stanu wzbudzonego: τ = A 1 21 Kształt linii widmowej: Ĩ(ω) = I 0 (ω ω 0 ) 2 + (A 21 /2) 2 (3) (Szczegóły - na tablicy)

9 Profil Lorentza Szerokość połówkowa profilu Lorentza: ω = A 21 = τ 1 (Zasada nieoznaczoności)

10 Poszerzenie zderzeniowe Zderzenia sa dodatkowym czynnikiem tłumiacym (Γ): A 21 A 21 + Γ Ma znaczenie, gdy Γ > A 21 (dużo zderzeń = wysokie ciśnienia) Widmo linii poszerzonej zderzeniowo: Ĩ(ω) = I 0 (ω ω 0 ) 2 + ( ) 2 A21 +Γ 2

11 Poszerzenie dopplerowskie Dopplerowskie przesunięcie częstości: ( ω = ω v ) z c Maxwellowski rozkład składowej prędkości w kierunku z: [ n i (v z )dv z = N ( ) ] 2 i vz exp πvp v p - prędkość najbardziej prawdopodobna, v p = 2kT /m v p

12 Poszerzenie dopplerowskie Kształt linii emisyjnej: [ ( ) ] c(ω ω0 ) 2 I(ω) = I 0 exp v p ω 0 Całkowita szerokość połówkowa: 2 ln 2 8kT ln 2 ω = ω 0 v p = ω 0 c mc 2 (Szczegóły - na tablicy)

13 Rzeczywisty kształt linii widmowej gazu Profil Voigta Szer. naturalna ( Hz) << szer. dopplerowska (10 9 Hz) ruch od detektora ruch do detektora ω 0 ω Kształt linii = splot profilu Dopplera D(ω) i Lorentza L(ω) I(ω) = D(ω)L(ω ω )dω

14 Poszerzenie jednorodne i niejednorodne linii Poszerzenie jednorodne - prawdopodobieństwo oddziaływania ze światłem o danej częstości jest jednakowe dla wszystkich atomów (czasteczek), np: poszerzenie naturalne poszerzenie ciśnieniowe Poszerzenie niejednorodne - prawdopodobieństwo oddziaływania jest różne dla różnych grup atomów (czasteczek): poszerzenie dopplerowskie - prawdopodobieństwo oddziaływania zależy od składowej prędkości w kierunku obserwatora Poszerzenie niejednorodne można zredukować, np. selektywnie wzbudzajac czasteczki o określonej prędkości.

15 Spektroskopia subdopplerowska Wiazki atomowe i molekularne niskie ciśnienie laser wysokie ciśnienie detektor [V. Aquilanti et al, Phys. Chem. Chem. Phys., 2005,7, 291] rozprężanie gazu prowadzi do obniżenia temperatury selekcja przestrzenna wybiera czasteczki (atomy) o zerowej prędkości poprzecznej wiazka laserowa prostopadła do wiazki molekularnej (atomowej) zredukowany efekt Dopplera

16 Spektroskopia subdopplerowska Wiazki atomowe i molekularne [W. Demtroder, Spektroskopia laserowa, PWN]

17 Spektroskopia subdopplerowska Wiazki atomowe i molekularne [W. Demtroder, Spektroskopia laserowa, PWN]

18 Spektroskopia nasyceniowa Wypalanie dziur [W. Demtroder, Spektroskopia laserowa, PWN]

19 Spektroskopia nasyceniowa Dip Lamba [W. Demtroder, Spektroskopia laserowa, PWN] Przeciwbieżne wiazki o ω ω 0 wypalaja w rozkładzie obsadzeń dwie symetryczne dziury (dla v z i v z ) - tzw. dziury Bennetta. Jeśli wiazka jest dostrojona dokładnie do przejścia (ω = ω 0 ) to powstaje jedna dziura w centrum profilu dopplerowskiego (dla V z = 0) - tzw. dip Lamba Szerokość wypalonych dziur odpowiada szerokości naturalnej

20 Spektroskopia nasyceniowa Pomiar widma absorpcji nasyceniowej [

21 Spektroskopia nasyceniowa Struktura nadsubtelna widma rubidu