Doświadczenie Sterna-Gerlacha

Transkrypt

1 Doświadczenie Sterna-Gerlacha skolimowana (szczeliny) wiązka at. Ag w próżni (st. podst.: 5s S /, l=) obserwacja obrazu wiązki na okienku aparatury d!! w niejednor. polu mgt. oddz. z dipolem mgt.: V= µ F z = µ cos( µ, ) dz µ = γl oczekiwanie klas. (dla l ) (dośw. 9, Stern 943) µ=µ l +µ s obserwowano: Wnioski: kwantyzacja przestrzenna krętu, możliwy pomiar atom. mom. mgt. dowód spinu (l=, a jednak µ ) = = Met. S-G pozwala na przygotowanie czystego stanu kwantowego, jego selekcję i analizę JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład /

2 Dokładność pomiarów spektroskopowych rozwój technik pomiarowych poprawa dokładności almer n (model ohra) Zeeman, Lorentz Spin, struktura subtelna interferometry struktura nsbt. aparaturowe ograniczenia zdolności rozdz. Δν instr ogranicz. fizyczne 7 kwestia szerokości linii widmowych 7 gaz efekt Dopplera!! k υ rozszerzenie dopplerowskie 8 kt 6 ΔD = = 7,6* T c M fundamentalne ograniczenie relacja Heisenberga: ΔE Δt! naturalna szerokość linii spektralnych Δ nat ponadto możliwe: rozszerzenie zderzeniowe, rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład / = τ M

3 JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 3/ Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego Δ 8 kt = = 7,6* c M 6 D T M na ogół Δ D Δ nat ale Δ D æ gdy: T æ æ gaz skolimowana wiązka atomowa/molekularna + prostopadłe wzbudzanie i obserwacja k υ!! k υ! k! υ = metody radiospektroskopii, spektroskopii laserowej, chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów

4 JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 4/ Metoda wiązek molekularnych 944 Isaac I. Rabi N N S S S = rf N µa En. ħ m=+/ m=-/ I det możliwość pomiaru struktury zeeman. i struktury nsbt. stanów podstawowych wyznaczenie momentów jądrowych zegary atomowe

5 Doświadczenie Lamba-Retherforda pomiar przesunięcia Lamba 955 poprawki radiacyjne QED zniesienie deg. przypadkowej rozszczep. S i P (przesunięcie Lamba): trudności pomiaru poszerz. Dopplera pomiar w zakresie mikrofal ( 9 Hz) zamiast w zakresie optycznym ( 5 Hz) ΔE = C l 4 α( Zα) mc 3 π n istotne własności wodoru: stan wzbudz. P emituje,5 nm (τ -8 s) stan wzbudz. S metatrwały (ta sama parzystość) en. ev przejścia S P E (el.dipol) można indukować elektr. polem o częstości radiowej (rf radiofrequency, np. mikrofale microwaves) JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 5/

6 JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 6/ realizacja doświadczenia Ly α (,5 nm) S H H 7 K wzbudz. do n= S, P ( ev) N µw µa zasada pomiaru przejście rezonansowe indukowane przez pole µw P S,5 nm zmiana prądu detektora: I det S stała częstość pola rf zmiana rozszczep. zeeman. ν µw

7 JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika 7 Radiospektroskopia F precyz. pomiar b. małych str. spektr. En. ħ m=+/ m=-/ A π h = dla r.f. A << 8 3 λ I det P P() i f.5 ( t) t = ( fi fi ) /τ + τ rezonans: optyczny, NMR,.. zasada zachow. energii dn dt n n dn = = n n n n dt hν k T = e T 3K 7 e ν MHz konieczna różnica populacji: selekcja stanów w exp. Sterna-Gerlacha różnica czasów życia (S, P w dośw. L.-R.) pompowanie optyczne

8 Pompowanie optyczne: rezonans optyczny zasada zachow. energii ħ= ħ fi foton niesie też kręt zasada zachow. mom. pędu (W. Rubinowicz, 98, półklasycznie) 966, Alfred Kastler σ ± ± ħ absorpcja fotonu zmienia rzut krętu atomowego P / σ + σ + detektor S / m J = / +/ różnica populacji (orientacji krętu J) rezonans między m J = / i m J = +/ selekcja stanów kwantowych (S.-G.) metoda spinowej polaryzacji tarcz gazowych ( magnesowanie gazu ), czas JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika 8 sygnał z detektora natężenie światła ä

9 Pompowanie optyczne P / σ + σ + S / m J = / +/ podwójny rezonans detektor cost Podwójny rezonans (optyczno-radiowy) szer. linii rezonansowej b. mała (stan podstawowy) b. precyzyjne pomiary (ograniczenie: zderzenia) = częst. przejść od Hz do GHz wzmacniacz kwantowy : kwanty r.f. ( - ev) wyzwalają fotony optyczne (ev) b. duża czułość µ g J JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika 9 En. I det gaz buforujący ħ m=+/ m=-/

10 Zastosowania pompowania optycznego: liczne! JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika magnetometry pomiar częstości rez. między podpoz. zeem. (częst. Larmora) pomiar (czulsze niż SQUIDs) = ΔE/ħ = (Δm g J µ /ħ) σ +? cost zegary atomowe indukowanie rezonansu między poziomami str. nsbt. m= m = (słabo zależą od zewn. czynników dobry wzorzec częstości) masery I det obrazowanie medyczne (spolaryz. 3 He *, 9 Xe) F = F= m = m= przygotowanie czystych stanów kwant. np. do kryptografii kwantowej etc... etc...

11 Interferencja stanów atomowych. Dudnienia kwantowe Superpozycja niezdegenerowanych stanów atomowych stan niestacjonarny (Np. W9) e e Ψ( t ) = c g + C ( t) e + C ( t) e g C ( t) = c e ie t /! ( Γ/ ) t e, C ( t) wzbudzenie: dwie spójne linie, lub jedna szeroka spektralnie powrót do stanu podst. emisja światła o natężeniu D = c e ie t /! e ( Γ/ ) t I ( A + A + cos t) Γt ( t) D Ψ D Ψ = e em I em (t) człon interferencyjny Dudnienia kwantowe pomiar = E E! bez rozszerz. dopplerowskiego time JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika

12 Interferencja stanów atomowych. Skrzyżowanie poziomów (level-crossing) Superpozycja zdegenerowanych stanów atomowych stan stacjonarny I I em ( t) = e = I Przykład: em ef. acka- Goudsmita: Γt ( t) dt ( A + cos t) e e g Γ + Γ () = LevCross Ī ()=A +A +C() Γ C( ) + Γ A/ - A Ī () Energia F met. wyznaczania str. poz. energet. LC JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika

13 JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika 3 Skrzyżowanie poziomów c.d. F w = poziomy też się przecinają: () = Np. J g = J e = ważne reg. wyboru: Δm=, ± obserwujemy przecięcia poziomów z Δm= ±, ± J e = J g = En. m=+ m= m= Ī ()=A +A +C() C( ) ΔE Γ ( ) + Γ efekt Hanlego Ī () Δ szerokość skrzyż. poz.: ΔE Γ Δ Γ/(g J µ Δm) metoda pomiaru czasów życia τ =/Γ

14 JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika 4 Interferencja stanów atomowych 3 ograniczenie zdolności rozdzielczej - czas oddział. z polem (czas pomiaru) np. w met. wiązek molekularnych (I. Rabi): Pol. Det. (analiz.) Sygnał υ/d d pole EM; Gdy dokładność pomiarów ograniczona (szum): szum Sygnał Dokładność pomiarów k gdy: υm spowalniać Δ Δ d k rozszerzać

15 JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika 5 Interferencja stanów atomowych 4 Metoda Ramsey a ħ D i t e i t e 989, Norman Ramsey υ/d υ/d dodawanie amplitud sygnał: S( ) e i T i T it + e = e ( ) i( ) T + e T = D/υ S() υ/d υ/d prążki Ramsey a

16 Interferencja stanów atomowych 4 JZ, Podstawy fiz. Atomowej na podst wykł. W. Gawlika 6 analogia z dośw. Younga: dudnienia kwant. e e g g S P I(P) = I +I + I I cos Δϕ SP dla prążków Ramsey a analogia z interferometrem Macha-Zendera: