Podsumowanie W9 - Oddz. atomów z promieniowaniem EM

Transkrypt

1 Podsumowanie W9 - Oddz. atomów z promieniowaniem EM ala płaska propagująca wzdłuż 0y, spolaryzowana wzdłuż 0z działa na q : π a 0 << λ H = = m m H 0 [ p qa( r, t) ] p + qv q m + qv A p W(t) q m q m S B( r, t) q S B + A m W ( t ) gdy - przybliżenie dipolowe, iky q e ( t) = A p ' = D E W DE m W DE q m A p reguły wyboru Ψ(x, t ) stany niestacjonarne polaryzacja światła w eekcie Zeemana (normalny e. Zeemana, S=0) B 0z p β β s Ψ(x, t)=c (t)u 00 (x)+c (t)u 0 (x) B z D (t)= Ψ(t) D Ψ(t) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 /5 B D + (t) D 0 (t) D (t) z 0 B z

2 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, Ψ(0) = ϕ i Ψ(t) = Σc n (t) ϕ n P () i ( t) = cn= ( t ) P i ( t) = W 4 e i( + ) t + e i( ) t A + A 0, E Ei < 0 > zależnie od tego, który stan jest początkowy > 0 i < 0 i t, P i- =P() ma max. Gdy, A + / <<A Gdy, A + >>A / absorpcja emisja (wymuszona) Em. spont. QED Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 /5

3 rezonans optyczny P i ( t) W = A ± + A 4 = W 4 sin t związek z relacją nieokreśloności: 4π/t inne stany mniej ważne (przybliżenie dwupoziomowe, rezonansowe) Gdy 0 (stacjonarne zaburz.), mimo to A + A - mieszanie stanów przez stałe pole Gdy pole niemonochromatyczne trzeba wycałkować P() po rozkładzie prawdopodobieństwo przejścia na jednostkę czasu - współczynniki Einsteina Gdy poziomy nietrwałe trzeba uśrednić po czasie uwzględniając enomenologiczny opis emisji spontanicznej: P i ( t) t = t sin t e ( ) ( ) t τ + τ dt zagadnienie szerokości linii widmowych Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 3/5 P i- t > t 4π/ t ( W /4 ħ ) t /τ linie widmowe to lorentzowskie krzywe rezonansowe o skończonej szerokości

4 Metody doświadczalne zyki 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. - bezpośrednio ubytek otonów - pośrednio wzbudzenie określonego stanu atomowego tylko wizualizacja tylko natężenie analiza spektralna wtórny proces (emisja otonu, ładunku jonizacja, reakcja chem.) kontrola stanu atomów za pomocą zewn. czynników a) modyk. struktury (e. Zeemana/Starka, opt. nieliniowa, atom ubrany ) b) manipulacja ruchem atomów w azie gazowej c) obserwacja emisji światła Interdyscyplinarność np. atomowa zyka c. stałego Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 4/5

5 Cele:. 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, nowa zyka (atomy egzotyczne, rzadkie lub nietrwałe izotopy, atomy w stanie degeneracji kwantowej, etc.) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 5/5

6 Metody:. Spektroskopia (UV-VIS-IR, r), laserowa, jonizacyjna typowe energie -0 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. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 6/5

7 Problemy: a) techniczne: dostępność źródeł światła (odpow. λ, natęż., selektywność monochr.) możliwość trzymania atomów (pułapkowania) czuła detekcja, dokładne pomiary zdolność rozdzielcza... b) zyczne: oddz. promieniowania z materią werykacja teorii dośw. teoria - kwantowe superpozycje stanów atomowych/otonowych (np. stany splątane) - przeskoki kwantowe - otony w nowych środowiskach (otonika, nanostruktury) doświadczalna mech. kwant. 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) globalny magnetometr Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 7/5

8 Wielkie eksperymenty 665 Isaac Newton (rozszczepienie światła na 84 Joseph von Fraunhoer (linie absorpcyjne składowe) w widmie słonecznym) (spektroskop pryzmatyczny) 860 Robert Bunsen & Gustav Kirchho 885 Johan Jakob Balmer (widmo wodoru) 889 Johannes R. Rydberg zyki atomowej -prehistoria = R λ n Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 8/5

9 Wielkie eksperymenty - historia Roentgen Nobel 90 Lorentz & Zeeman Nobel 90 Wien Nobel 9 Barkla Nobel 97 (związek z teorią) Stark Nobel 99 Planck Nobel 98 Raman Nobel 930 Franck & Hertz Nobel 95 Einstein Nobel 9 Bohr Nobel 9 Stern Nobel 943 de Brogllie Nobel 99 Rabi Nobel 944 Schrödinger & Dirac Nobel 933 Heisenberg Nobel 93 Pauli Nobel 945 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 9/5

10 Wielkie eksperymenty - N.Basow, A.Prochorow, Ch. Townes, Nobel 964 W.E. Lamb Nobel 955 Laser A. Kastler Nobel 966 R. Glauber, J. Hall, T. W. Hänsch Nobel 005 E. Cornell, W. Ketterle, C. Wieman Nobel 00 S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips Nobel 997 N. Ramsey, H. Dehmelt & W. Paul Nobel 989 N. Bloembergen & A. Schawlow Nobel 98 przesunięcie Lamba era nowożytna spektroskopia laserowa pompowanie optyczne BEC chłodzenie laser. & pułapki atom. spektr. Ramsey a & pułapki jonowe Q.Opt. grzebień Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 0/5

11 Dośw. Francka-Hertza James Franck & Gustav Hertz dośw. 93, 95 Gdy w bańce próżnia: -elektrony emitowane z K, przyspieszane przez V S -między S i A stały potencjał hamujący (ok. 0,5 V) -gdy V S, I A (wzrost energii kinetycznej elektronu) Gdy w bańce pary Hg: -przy określonym V S, spadek I A (V S =4,9 V) -również przy V S, 3V S,... spadek I A Z parami rtęci zachodzą zderzenia elektronów z atomami: - sprężyste, gdy atom nie przejmuje energii elektronu - niesprężyste, gdy en. kinetyczna elektronu en. wewnętrzna atomu (proces rezonansowy) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 /5

12 Dośw. F-H c.d. Interpretacja: niesprężyste zderzenia e-hg wzbudzenie atomu, strata en. elektronu, spadek I A (może być wielokrotny przekaz en. kinetycznej) po wzbudzeniu Hg, reemisja otonów (wzbudzone pary Hg świecą) i widmo emisji z bańki widmo lampy Hg 53,7 nm λ Wnioski: dowód kwantyzacji energii w atomie ( niespektroskopowy ), możliwość selektywnego wzbudzania określonych poziomów atomowych (inne reguły wyboru niż dla wzbudzania przez absorpcję światła) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 /5

13 Doświadczenie Sterna-Gerlacha (dośw. 90, Stern 943) skolimowana (szczelinami) wiązka at. Ag w próżni (st. podst.: 5s S /, l=0) obserwacja obrazu wiązki na okienku aparatury db w niejednor. polu mgt. oddz. z dipolem mgt.: V= µ B F z = µ cos( µ, B) dz µ = γl oczekiwanie klas. (dla l 0 ) B=0 tymczasem obserwowano: B=0 B z B B 0 B 0 Wnioski: kwantyzacja przestrzenna krętu, możliwy pomiar atomowego mom. mgt. dowód spinu (l=0, a jednak µ 0) µ=µ l +µ s Met. S-G pozwala na przygotowanie czystego stanu kwantowego, jego selekcję i analizę Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 3/5

14 Dokładność pomiarów spektroskopowych rozwój technik pomiarowych poprawa dokładności Balmer Zeeman, Lorentz intererometry n (model Bohra) Spin, struktura subtelna struktura nsbt. aparaturowe ograniczenia zdolności rozdz. ν instr ogranicz. zyczne kwestia szerokości linii widmowych gaz eekt Dopplera k υ 0 8 kbt rozszerzenie dopplerowskie D = = 7, 6 0 c M undamentalne ograniczenie relacja Heisenberga: T M E t naturalna szerokość linii spektralnych nat /τ ponadto możliwe: rozszerzenie zderzeniowe, rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 4/5 = τ

15 Przykład ograniczeń wynikających ze skończonej szerokości linii (ilustracja do zadania domowego na ćwiczenia) Przykład współczesnych zastosowań zjawiska Sterna-Gerlacha. W temp. ok.. 00 nk wytwarzany jest kondensat Bosego-Einsteina ( 87 Rb). W różnych warunkach dośw. może być on w różnych stanach m F, które dzięki e. Sterna-Gerlacha mogą być rozseparowane przestrzennie. m F = Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 00/. wykład 0 5/5