÷øöçèæ - + 1)(121)(2sin)( = --µ ò dtettP

Streszczenie W8:

• 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

2 2

2 2

) 1 (

1 2

1

) (

sin 2 )

(

÷ø ç ö è +æ -

=

- -

µ

ò

®

w t w

w w

w w

t

fi t

t

fi fi f

i e dt

t t

P

0.5 1

2/t

Streszczenie W8:

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)

• Fizyka atomowa - dziś

Doświadczalne metody fizyki atomowej (generalia)

1665 Isaac Newton

(rozszczepienie światła na składowe)

Wielkie eksperymenty

1814 Joseph von Fraunhoffer

(linie absorpcyjne w widmie

słonecznym)

1860 Robert Bunsen & Gustav Kirchhoff

(spektroskop pryzmatyczny)

1885 Johan Jakob Balmer

(widmo wodoru)

1889 Johannes R. Rydberg

÷ø ç ö

è

æ -

= ₂ 1₂ 2

1 1

R n l

fizyki atomowej -prehistoria

Rabi Nobel 1944

F

Stern Nobel 1943

F

Wielkie eksperymenty

Raman Nobel 1930 Franck &

Hertz Nobel 1925

F

Stark Nobel 1919

F

Barkla Nobel 1917 Wien

Nobel 1911

Pauli Nobel 1945

- historia

Planck Nobel 1918

Schrödinger

& Dirac Nobel 1933 Heisenberg

Nobel 1932 de Brogllie

Nobel 1929 Bohr

Nobel 1922 Einstein

Nobel 1921

(związek z teorią)

Lorentz &

Zeeman Nobel 1902

H

Roentgen Nobel 1901

R. Glauber, J. Hall, T. W. Hänsch

Nobel 2005

Wielkie eksperymenty -

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.Basow, A.Prochorow,

Ch. Townes,

Nobel 1964

Laser

N. Bloembergen

& A. Schawlow Nobel 1981 A. Kastler

Nobel 1966 W.E. Lamb

Nobel 1955

przesunięcie Lamba

spektroskopia laserowa pompowanie optyczne

chłodzenie laser.

& pułapki atom.

spektr. Ramsey’a

& pułapki jonowe

BEC

c.d.

Q.Opt. grzebień

Nobel 2020

Wielkie eksperymenty -

A. Ashkin, G. Monroe, D. Strickland

Nobel 2018 I.Akazaki, H. Amano

& S. Nakamura Nobel 2014

Szczypce optyczne i układy biol &

metoda generacji ultra krótkich impulsów laserowych

Niebieskie lasery diodowe

c.d.

Czeka na Polaka

S. Haroche D. Wineland

2012 Pojed. Układy kwant.

Dośw. Francka-Hertza

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_Sk, I_Ak (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)

Dośw. F-H c.d.

i f

Interpretacja:

Wnioski:

dowód kwantyzacji energii w atomie („niespektroskopowy”),

możliwość selektywnego wzbudzania określonych poziomów atomowych (inne reguły wyboru niż dla wzbudzania przez absorpcję światła)

• niesprężyste zderzenia e-Hg Þ wzbudzenie atomu,

strata en. elektronu, spadek I_A

(może być wielokrotny przekaz en. kinetycznej)

• po wzbudzeniu Hg reemisja fotonów (wzbudzone pary Hg świecą)

l ^{253,7 nm}

¬widmo lampy Hg

¬widmo emisji z bańki

Doświadczenie Sterna-Gerlacha

• skolimowana (szczeliny) wiązka at. Ag w próżni (st. podst.: 5s ²S_1/2, l=0)

• obserwacja obrazu wiązki na okienku aparatury

• w niejednor. polu mgt. oddz. z dipolem mgt.: V= – µ·B

Þ

dz

F_z = µ dB µ! !

obserwowano:

B=0 B

0 Wnioski:

• kwantyzacja przestrzenna krętu,

• możliwy pomiar atom. mom. mgt.

• dowód $ spinu (l=0, a jednak µ ¹0)

(dośw. 1920, Stern 1943)

Met. S-G pozwala na przygotowanie czystego stanu kwantowego, jego selekcję i analizę

Þoczekiwanie klas.

(dla l ¹0 )

B¹0

B=0

µ

=

+

µ =

–

l

aparaturowe ograniczenia zdolności rozdz. Dn_instr ® ogranicz. fizyczne

7 kwestia szerokości linii widmowych 7

Dokładność pomiarów spektroskopowych

rozwój technik pomiarowych

® poprawa dokładności

Balmer ® n (model Bohra)

Zeeman, Lorentz ® Spin, struktura subtelna interferometry ® struktura nsbt.

• ponadto możliwe:

– rozszerzenie zderzeniowe,

• gaz – efekt Dopplera

Þrozszerzenie dopplerowskie u w

w ® -k^!× ^!

M M T

T k c

B

D w0 8 7,16w0

w = =

D

• fundamentalne ograniczenie – relacja Heisenberga:

2

³ ! D DE t

w = t¹ D _nat Þ naturalna szerokość

linii spektralnych

Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego

na ogół Dw_D » 100 Dw_nat ale Dw_D æ gdy:

T æw0 æ

gaz ® skolimowana wiązka atomowa/molekularna + prostopadłe wzbudzanie i obserwacja

Þ metody radiospektroskopii, spektroskopii laserowej,

chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów

u w

w

= 0

×

u

k M

M T T k c

B

D 0

0 8 7,16*10 6w

w = w = ^-

D

Metoda wiązek molekularnych

Isaac I. Rabi

N S ^ÑB N

S ^ÑB

µ A

B I_det

N

S ÑB=0

B_rf

B

En. m=+1/2

ħ

w

m=-1/2

możliwość pomiaru struktury zeeman. i struktury nsbt. stanów podstawowych Þ wyznaczenie momentów jądrowych Þ zegary atomowe

Doświadczenie Lamba-Retherforda –

pomiar przesunięcia Lamba ¹⁹⁵⁵

pomiar w zakresie mikrofal (10

¯

istotne własności wodoru:

• stan wzbudz. 2P emituje 121,5 nm (t »10^-8s)

• stan wzbudz. 2S metatrwały (ta sama parzystość) en. »10 eV

• przejścia 2S–2P E1 (el.dipol)

– można indukować elektr. polem o częstości poprawki radiacyjne QED

3 2 4

2 ) (

n mc C Z

E l p

a

= a D zniesienie deg. przypadkowej – rozszczep. 2S i 2P

ß

(przesunięcie Lamba):

trudności pomiaru – poszerz. Dopplera

realizacja doświadczenia

H

H

2700 K

wzbudz.

do n=2 2S, 2P (»10 eV)

Ly_a(121,5 nm)

N S

µ w

zasada pomiaru –

przejście rezonansowe indukowane przez pole µw

n_µw I_det

µ A

2P 2S

1S

121,5 nm

• stała częstość pola rf

• zmiana rozszczep. zeeman.

® zmiana prądu detektora:

wyniki

DE=1057,77 ± 0,10 MHz

http://courses.washington.edu/phys432

/lamb_shift/lamb_shift.pdf