Rozmycie pasma spektralnego

Transkrypt

1 Rozmycie pasma spektralnego

2 Rozmycie pasma spektralnego Z doświadczenia wiemy, że absorpcja lub emisja promieniowania przez badaną substancję występuje nie tylko przy częstości rezonansowej, tj. częstości odpowiadającej różnicy energii poziomów kwantowych, lecz również przy częstościach jej bliskich. Rozmycie pasma jest konsekwencją: niedoskonałości aparatury pomiarowej oraz konsekwencją pewnych praw fizyki

3 Niedoskonałości aparatury pomiarowej Niepełna monochromatyzacja promieniowania Skończona szerokość szczelin wejściowych i wyjściowych Niejednorodność pola magnetycznego w metodzie NMR

4 Niezależne od aparatury przyczyny rozmycia pasma spektralnego Zasada nieoznaczoności Heisenberga Efekt Dopplera Efekt Lorentza Oddziaływania międzycząsteczkowe

5 Zasada nieoznaczoności Heisenberga Czas życia cząsteczki na danym poziomie energetycznym i rozmycie energii tego poziomu spełniają zależność 34 Et ~10 J s Równanie to ilustruje sytuację, że stan n posiada dokładnie określoną energię tylko wtedy gdy t jest nieskończony. Skoro to nigdy nie ma miejsca to wszystkie poziomy energetyczne są rozmyte na pewną rozciągłość co w rezultacie daje poszerzenie linii. Np. Gdy czas życia stanu wynosi t 10 8 s to E 10 J cm 26 1 Naturalne poszerzenie linii jest bardzo małe w porównaniu z wkładem pochodzącym od innych przyczyn

6 Odkrycie efektu Dopplera Christian Doppler jako pierwszy w 1842 r. zaproponował wyjaśnienie występowania efektu polegającego na okresowej zmianie koloru światła gwiazd w układzie podwójnym jako skutek ich ruchu kołowego. Naukowe badanie efektu Dopplera po raz pierwszy przeprowadził Christoph Ballot w 1845 r. Poprosił on grupę muzyków (trębaczy), aby wsiedli do pociągu i grali jeden ton. Słuchał go i zaobserwował, że dźwięk instrumentów staje się wyższy, kiedy pociąg zbliża się do niego. Gdy źródło muzyki się oddala, jego ton staje się niższy. Zmiana wysokości dźwięku była dokładnie taka, jak wyliczył uprzednio Doppler. Niezależnie od Dopplera podobny efekt został zaobserwowany w 1848 r. przez Armanda Fizeau dla fal elektromagnetycznych.

7 Efekt Dopplera Atomy i cząsteczki poruszając się chaotycznie w fazie objętościowej emitują w kierunku obserwatora (detektora) lub absorbują z danego kierunku promieniowanie o częstości innej niż częstość wynikająca z różnicy energii poziomów. Jest to efekt analogiczny do znanej z akustyki zmiany częstości dźwięku wysyłanego przez ruchomy obiekt

8 Obiekty nieruchome Długość fali Obaj obserwatorzy widzą jednakowe długości fal

9 Źródło poruszające się w kierunku obserwatora po lewej stronie Rejestruje krótsze fale Rejestruje dłuższe fale

10

11 Efekt Dopplera Idea zjawiska jest następująca: Źródło emituje EM promieniowanie o określonej długości (l) Obserwator widzi długość l obs Efekt Doppler a mówi l obs < l jeśli źródło porusza się do obserwatora l obs > l jeśli źródło porusza się od obserwatora

12 Efekt Dopplera

13 Zależność Doppler a : wersja dla światła Jeżeli źródło emituje EM promieniowanie o długości l, to widoczna zmiana w długości obserwowanej (l obs - l), wynosi: (l obs - l) / l = v/c v - prędkością względną w kierunku obserwatora c - prędkość światła

14 Efekt Dopplera Dla promieniowania elektromagnetycznego (promieni świetlnych) Ruch do obserwujemy krótsze fale (przesunięcie do błękitu) a c a 1 1 Ruch od obserwujemy dłuższe fale (przesunięcie do czerwieni) a c a 1 1 a a średnia prędkość poruszania się atomów częstość obserwowana częstość odpowiadająca różnicy poziomów energetycznych

15 Efekt Dopplera Bezładny ruch translacyjny cząsteczek powoduje rozmycie poziomów Gdy cząsteczka porusza się w stronę detektora wzrasta, l maleje Gdy cząsteczka oddala się od detektora maleje, l wzrasta

16 Profil pasma powstający wskutek efektu Dopplera Szerokość pasma w połowie jego wysokości 2 B c 2kTln 2 M 1 2 M masa cząsteczki Rozszerzenie Dopplera linii widmowej zależy od temperatury i masy cząsteczki

17 Przykładowe zastosowania Zmiana barwy światła pochodzącego z oddalających się galaktyk Wyznaczanie temperatury gwiazd

18 Efekt Lorentza (poszerzenie ciśnieniowe) Wzrost ciśnienia i temperatury powoduje zderzenia cząsteczek co skraca czas życia stanu wzbudzonego. Zderzenia w fazie objętościowej powodują deformację powłok elektronowych i w konsekwencji niewielką zmianę energii poziomów oraz skrócenie czasu życia poziomu wzbudzonego 1 2 czas pomiędzy zderzeniami