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 2 fi sin t 2 2 ( ) fi e t dt 1 2 ( fi 1 ) 2 1 2 JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 1/21 1 0.5 0 fi 2/
JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, 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
JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, 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 2 n
Wielkie eksperymenty - historia JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, 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
Wielkie eksperymenty - N.Basow, A.Prochorow, Ch. Townes, Nobel 1964 Laser A. Kastler Nobel 1966 W.E. Lamb Nobel 1955 N. Bloembergen & A. Schawlow Nobel 1981 c.d. Pojed. Układy kwant. Q.Opt. grzebień 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 przesunięcie Lamba spektroskopia laserowa pompowanie optyczne S. Haroche D. Wineland 2012 chłodzenie laser. & pułapki atom. spektr. Ramsey a & pułapki jonowe BEC III rok! JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 5/21
JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, 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)
JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, 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 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= B F z cos(, B) dz = l oczekiwanie klas. (dla l 0 ) (dośw. 1920, Stern 1943) B0 = l + s obserwowano: Wnioski: kwantyzacja przestrzenna krętu, możliwy pomiar atom. mom. mgt. dowód spinu (l=0, a jednak 0) B=0 B0 B=0 Met. S-G pozwala na przygotowanie czystego stanu kwantowego, jego selekcję i analizę JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, 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. instr ogranicz. fizyczne kwestia szerokości linii widmowych gaz efekt Dopplera k 0 8 kbt rozszerzenie dopplerowskie D 7, 160 T M c M fundamentalne ograniczenie relacja Heisenberga: E t 2 naturalna szerokość linii spektralnych nat ponadto możliwe: rozszerzenie zderzeniowe, rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 9/21 1
JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 10/21
JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 11/21 Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego 0 8 kbt 7,16* 10 c M 6 D 0 T M na ogół D 100 nat ale D gdy: T 0 gaz skolimowana wiązka atomowa/molekularna + prostopadłe wzbudzanie i obserwacja k k k 0 metody radiospektroskopii, spektroskopii laserowej, chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów
JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 12/21 Metoda wiązek molekularnych 1944 Isaac I. Rabi N N S B S B S B=0 B rf N A En. ħ 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) 4 ( Z) mc E C l 3 2 n 2 istotne własności wodoru: stan wzbudz. 2P emituje 121,5 nm ( 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) JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 13/21
JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 14/21 Tylko dla... mechanizm przesunięcia Lamba: 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 E / ħ = + 1058 MHz przesunięcie Lamba stanu 2s
realizacja doświadczenia JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 15/21 H 2 H Ly (121,5 nm) S 2700 K wzbudz. do n=2 2S, 2P (10 ev) N w A zasada pomiaru przejście rezonansowe indukowane przez pole w 2P 2S 121,5 nm zmiana prądu detektora: I det 1S stała częstość pola rf zmiana rozszczep. zeeman. w
wyniki JZ wg W. Gawlik - PodstawyFizyki Atomowej, wykład 10 16/21 E=1057,77 0,10 MHz