Streszczenie W9: stany niestacjonarne niestacjonarne superpozycje stanów elektronowych promieniują polaryzacja składowych zeemanowskich = wynik szczególnej ewolucji stanów niestacjonarnych w polu B przejścia wymuszone przez zewn. pole EM: absorpcja i emisja wymuszona równoprawne procesy zależne od warunków początkowych przejścia rezonansowe (rezonans optyczny) a) zależność szerokości rezonansu od czasu obserwacji b) kształt linii spektralnych P i f ( t) t t 2 ω fi ω sin t 2 2 ( ω ω) fi e t τ dt = 1 2 ( ω fi 1 ω) 2 1 + τ 2 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 1/21 1 0.5 0 ω fi 2/τ ω
Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 2/21 Streszczenie W9: Doświadczalne metody fizyki atomowej (generalia) Przedmiot badań gaz atomowy/molekularny problemy i warunki techniczne Główne cele: - wyznaczenie struktury poziomów energetycznych - wyznaczenie prawdopodobieństw przejść - badanie oddz. z zewn. czynnikami: a) polami badania własności pól EM b) cząstkami badania zderzeń - nowe atomy, nowe stany materii,... Główne metody a) spektroskopia, b) pomiary zależności czasowych, c) metody niestandardowe (ultra-precyzyjna spektroskopia, chłodzenie i pułapkowanie, pomiary pojedynczych atomów) Wielkie eksperymenty a) prehistoria (Newton, Fraunhoffer, Bunsen, Kirchhoff, Balmer, Rydberg) b) historia dośw. Francka-Hertza dowód kwantyzacji poziomów en. c) era nowożytna
Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 3/21 Wielkie eksperymenty 1665 Isaac Newton (rozszczepienie światła na składowe) 1814 Joseph von Fraunhoffer (linie absorpcyjne w widmie słonecznym) (spektroskop pryzmatyczny) 1860 Robert Bunsen & Gustav Kirchhoff 1885 Johan Jakob Balmer (widmo wodoru) 1889 Johannes R. Rydberg fizyki atomowej -prehistoria 1 1 1 = R 2 2 λ 2 n
Wielkie eksperymenty - historia Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 4/21 Roentgen Nobel 1901 Lorentz & Zeeman Nobel 1902 Wien Nobel 1911 Barkla Nobel 1917 (związek z teorią) Stark Nobel 1919 Planck Nobel 1918 Raman Nobel 1930 Franck & Hertz Nobel 1925 Einstein Nobel 1921 Bohr Nobel 1922 Stern Nobel 1943 de Brogllie Nobel 1929 Rabi Nobel 1944 Schrödinger & Dirac Nobel 1933 Heisenberg Nobel 1932 Pauli Nobel 1945
Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 5/21 Wielkie eksperymenty - N.Basow, A.Prochorow, Ch. Townes, Nobel 1964 W.E. Lamb Nobel 1955 Laser A. Kastler Nobel 1966 R. Glauber, J. Hall, T. W. Hänsch Nobel 2005 E. Cornell, W. Ketterle, C. Wieman Nobel 2001 S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips Nobel 1997 N. Ramsey, H. Dehmelt & W. Paul Nobel 1989 N. Bloembergen & A. Schawlow Nobel 1981 przesunięcie Lamba era nowożytna spektroskopia laserowa pompowanie optyczne BEC chłodzenie laser. & pułapki atom. spektr. Ramsey a & pułapki jonowe Q.Opt. grzebień III rok!
Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 6/21 Dośw. Francka-Hertza Gdy w bańce próżnia: James Franck & Gustav Hertz dośw. 1913, 1925 -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 2V S, 3V S,... spadek I A Zderzenia elektronów z atomami: - sprężyste, gdy atom nie przejmuje energii elektronu - niesprężyste, gdy en. kinet. elektronu en. wewnętrzna atomu (proces rezonansowy)
Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 7/21 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 fotonów (wzbudzone pary Hg świecą) i widmo emisji z bańki widmo lampy Hg f 253,7 nm λ Wnioski: dowód kwantyzacji energii w atomie ( niespektroskopowy ), możliwość selektywnego wzbudzania określonych poziomów atomowych (inne reguły wyboru niż dla wzbudzania przez absorpcję światła)
Doświadczenie Sterna-Gerlacha skolimowana (szczeliny) wiązka at. Ag w próżni (st. podst.: 5s 2 S 1/2, 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 ) (dośw. 1920, Stern 1943) B 0 µ=µ l +µ s obserwowano: Wnioski: kwantyzacja przestrzenna krętu, możliwy pomiar atom. mom. mgt. dowód spinu (l=0, a jednak µ 0) B=0 B 0 B=0 Met. S-G pozwala na przygotowanie czystego stanu kwantowego, jego selekcję i analizę Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 8/21
Dokładność pomiarów spektroskopowych rozwój technik pomiarowych poprawa dokładności Balmer n (model Bohra) Zeeman, Lorentz Spin, struktura subtelna interferometry struktura nsbt. aparaturowe ograniczenia zdolności rozdz. ν instr ogranicz. fizyczne kwestia szerokości linii widmowych gaz efekt Dopplera ω ω k υ ω0 8 kbt rozszerzenie dopplerowskie ω = = 7, 16 ω T M D 0 c M fundamentalne ograniczenie relacja Heisenberga: E t 2 naturalna szerokość linii spektralnych ω nat ponadto możliwe: rozszerzenie zderzeniowe, rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 9/21 1 = τ
Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 10/21
Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 11/21 Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego ω0 8 kbt ω D = = 7, 16 ω0 c M T M na ogół ω D 100 ω nat ale ω D gdy: T ω 0 gaz skolimowana wiązka atomowa/molekularna + prostopadłe wzbudzanie i obserwacja k υ ω ω k υ k υ = 0 metody radiospektroskopii, spektroskopii laserowej, chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów
Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 12/21 Metoda wiązek molekularnych 1944 Isaac I. Rabi N N S B S B S B rf N B=0 µa En. ħω m=+1/2 m=-1/2 I det B B możliwość pomiaru struktury zeeman. i struktury nsbt. stanów podstawowych wyznaczenie momentów jądrowych zegary atomowe
Doświadczenie Lamba-Retherforda pomiar przesunięcia Lamba 1955 poprawki radiacyjne QED zniesienie deg. przypadkowej rozszczep. 2S i 2P (przesunięcie Lamba): trudności pomiaru poszerz. Dopplera pomiar w zakresie mikrofal (10 9 Hz) zamiast w zakresie optycznym (10 15 Hz) E = C l 4 α( Zα) mc 3 2π n 2 istotne własności wodoru: stan wzbudz. 2P emituje 121,5 nm (τ 10-8 s) stan wzbudz. 2S metatrwały (ta sama parzystość) en. 10 ev przejścia 2S 2P E1 (el.dipol) można indukować elektr. polem o częstości radiowej (rf radiofrequency, np. mikrofale microwaves) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 13/21
Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 14/21 Tylko dla... mechanizm przesunięcia L amba: e + + + e e p e + p e p e p oddz. e - p polaryzacja próżni najsilniejsze efekty dla stanów s renorm. masy anomalny mom. mgt. (g=2.0023193..) 27 MHz + 1017 MHz + 68 MHz Ε / ħ = + 1058 MHz przesunięcie Lamba stanu 2s
realizacja doświadczenia Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 15/21 H 2 H Ly α (121,5 nm) S 2700 K wzbudz. do n=2 2S, 2P ( 10 ev) N µw µa zasada pomiaru przejście rezonansowe indukowane przez pole µw 2P 2S 121,5 nm zmiana prądu detektora: I det 1S stała częstość pola rf zmiana rozszczep. zeeman. ν µw
wyniki Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 10 16/21 E=1057,77 ± 0,10 MHz