Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Transkrypt

1 Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej Część I: Optyka, wykład 2 wykład: Piotr Fita pokazy: Andrzej Wysmołek ćwiczenia: Anna Grochola, Barbara Piętka Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski 2015/16

2 Plan 1 Współczynniki Einsteina 2 Widmo światła 3 Podstawy spektroskopii 4 Spektroskopia w zastosowaniach

3 Absorpcja i emisja światła 2 1 absorpcja B 12 A 21 B 21 emisja spontaniczna emisja wymuszona Relacje między współczynnikami Einsteina: B 12 = B 21 A 21 B 21 = 8πhν3 c 3 (Wyprowadzenie - na ćwiczeniach)

4 Prawo Lamberta - Beera I 0 I(z) dz z di(ν 0 ) dz = ɛ(ν 0 )c 0 I(ν 0 ) I(ν 0, z) = I 0 (ν 0 )e ɛ(ν 0)c 0 z = I 0 (ν 0 )e α(ν 0)z (Wyprowadzenie - na tablicy)

5 Prawo Lamberta - Beera I 0 I(z) dz z di(ν 0 ) dz = ɛ(ν 0 )c 0 I(ν 0 ) I(ν 0, z) = I 0 (ν 0 )e ɛ(ν 0)c 0 z = I 0 (ν 0 )e α(ν 0)z (Wyprowadzenie - na tablicy)

6 Natężenie światła Pole elektryczne fali E-M: E(t) = E 0 (t)e iω 0t E 0 (t) wolnozmienne e iω0t szybkozmienne Natężenie światła: I(t) = 1 2 cɛ 0 E(t) 2 = 1 2 cɛ 0 E 0 (t) 2

7 Widmo światła Rozkład pola elektrycznego na fale płaskie: Amplitudy spektralne: E(t) = 1 2π Ẽ(ω) = Ẽ(ω)e iωt dω E(t)e iωt dt Widmo = ile mocy (energii) przypada na przedział częstości dω w okolicy częstości ω Ĩ(ω) Ẽ(ω) 2 (Natężenie światła: I(t) E(t) 2 ) (Szczegóły na tablicy)

8 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

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

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

11 Jednostki w spektroskopii Częstość kołowa: ω [1/s] Częstotliwość: ν = 1 T = ω 2π [Hz] Długość fali: λ = c ν [µm, nm] Energia: E = hν [J, ev, mev] Liczba falowa: ν = 1 λ [cm 1 ]

12 Spektroskopia emisyjna i absorpcyjna I0(ν) Badana próbka I(ν) ν ν 2 źródło światła Iem(ν) 1 absorpcja emisja spontaniczna A(ν) = log I(ν) I0(ν) ν widmo emisji ν widmo absorpcji

13 [patlah.ru Badania struktury energetycznej Źródło informacji o budowie materii

14 Spektroskopia absorpcyjna Badania struktury energetycznej A portion of the polarisation spectrum of KCs recorded with circularly polarised pump laser beam [...] The IPA potential curve of the 4 1 Π state in KCs (circles) [...] [J. Szczepkowski, A. Grochola, W. Jastrzębski, P. Kowalczyk, Chem. Phys. Lett. 576, 10 (2013)]

15 Spektroskopia absorpcyjna Analiza składu gazów Analiza spalin silnika samochodowego K.-P. Mollmann, M. Vollmer 2013 Eur. J. Phys. 34. S123

16 Spektroskopia absorpcyjna Sensory chemiczne Zmiana widma cz asteczki-sensora w roztworze wodnym ze wzrostem stężenia ATP [C. Li et al. Chem., Int. Ed., 2005, 44, 6371]

17 Spektroskopia w astronomii Badanie atmosfer gwiazd Fraunhofer i jego spektroskop zbudowany w 1814 roku [

18 Spektroskopia w astronomii Badanie atmosfer gwiazd Widmo Słońca opisane przez Fraunhofera [American Institute of Physics]

19 Spektroskopia w astronomii Typy widmowe gwiazd [

20 Spektroskopia w astronomii Oznaczanie wieku gwiazd The spectrum of SMSS shows an absence of detectable Fe I lines (a) and is dominated by molecular features of CH (c). Panel b shows the vicinity of what should be one of the strongest iron lines in the UV/optical wavelength region. Brak linii absorpcyjnych żelaza pozwolił stwierdzić, że jest to najstarsza znana obecnie gwiazda [S. C. Keller et al, Nature 2014, ]

21 Spektroskopia w astronomii Badanie składu gazu międzygwiezdnego [tutorvista.com]

22 Spektroskopia w astronomii Badanie składu atmosfery planety pozasłonecznej [NASA]

23 Współczynniki Einsteina Widmo s wiatła Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach Zastosowania spektroskopii fluorescencyjnej Detekcja s ladowych ilos ci substancji Wykrywanie materiałów wybuchowych Fluorescamine 2,4-DAT [Horiba Jobin-Yvon] Excitation and emission spectra of 2,4DAT + fluorescamine at various dilutions, blanksubtracted, and all bandpasses = 10 nm.

24 Współczynniki Einsteina Widmo s wiatła Podstawy spektroskopii Spektroskopia w zastosowaniach Zastosowania spektroskopii fluorescencyjnej Charakteryzacja materiałów nanorurki weglowe [United States Patent ] [Ceclilia Noguez, [Horiba Jobin-Yvon]

25 Zastosowania spektroskopii fluorescencyjnej Medycyna - identyfikacja nowotworów Porównanie widm tkanki zdrowej i nowotworowej: [B. Mayinger, Am. J. Gastroenterol. 96, 2616 (2001)]

26 Luminescencja w ciele stałym PL intensity (arb. units) dot E X X - s QD Ga 1-x Al x As x < 0.33 XX 12.4 nm X Ga 0.67 Al 0.33 As p E Γ Γ 2D bilayer Al As GaAs 2.4nm d EΓ X XY 10 nm 100xP 0 3xP 0 X P exc =P 0 Fotoluminescencja kropki kwantowej dla różnej liczby ekscytonów w kropce kwantowej. X pojedynczy ekscyton, XX dwa zwiazane ekscytony, X trion = dwa elektrony + dziura. s,p,d kolejne powłoki w kropce kwantowej oznaczane analogicznie do stanów wzbudzonych atomu wodoru. [B. Piętka et al, Phys. Rev. B 87, (2013)] Energy (ev)

27 Luminescencja w ciele stałym Widma luminescencji polarytonów ekscytonowych Polaryton ekscytonowy = foton silnie sprzężony z ekscytonem w mikrownęce półprzewodnikowej. W wyniku sprzężenia dostajemy górny i dolny polaryton (górny o wyższej i dolny o niższej energii). Na widmach widoczna jest luminescencja dla różnych katów emisji (pędów polarytonu). [B. Piętka]