Streszczenie W9:

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

2 2

2 2

) 1 (

1 2

1

) (

sin 2 )

(



 



















 













fi t

t

fi fi

f

i e dt

t t

P

0 0.5 1

 

2/

Streszczenie W9:

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

Doświadczalne metody fizyki atomowej (generalia)

1665 Isaac Newton

Wielkie eksperymenty

1814 Joseph von Fraunhoffer

(linie absorpcyjne w widmie

słonecznym)

1860 Robert Bunsen & Gustav Kirchhoff

1885 Johan Jakob Balmer



1889 Johannes R. Rydberg



 



 

 ₂ 1₂ 2

1 1

R n



fizyki atomowej -prehistoria

Rabi Nobel 1944



Stern Nobel 1943



Wielkie eksperymenty

Raman Nobel 1930 Franck &

Hertz Nobel 1925



Stark Nobel 1919



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



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

III rok!

c.d.

Q.Opt. grzebień

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_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)

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  wzbudzenie atomu,

strata en. elektronu, spadek I_A

(może być wielokrotny przekaz en. kinetycznej)

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

 ^{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= – ∙B



dz F dB

z

 







obserwowano:

B=0 B

0 Wnioski:

• kwantyzacja przestrzenna krętu,

• możliwy pomiar atom. mom. mgt.

• dowód  spinu (l=0, a jednak  0)

(dośw. 1920, Stern 1943)

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

oczekiwanie klas.

(dla l 0 ) B0

B=0



=

+

 =

–

l

aparaturowe ograniczenia zdolności rozdz. _instr  ogranicz. fizyczne

 kwestia szerokości linii widmowych 

Dokładność pomiarów spektroskopowych

rozwój technik pomiarowych

 poprawa dokładności

Balmer  n (model Bohra)

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

• ponadto możliwe:

– rozszerzenie zderzeniowe,

– rozszerzenie przez skończony czas oddziaływania

• gaz – efekt Dopplera

rozszerzenie dopplerowskie





  k^ ^

M M T

T k c

B

D 0

0 8 7,16

   



• fundamentalne ograniczenie – relacja Heisenberga:

2

 



E t

  ¹

 _nat

 naturalna szerokość linii spektralnych

Zmniejszenie rozszerz. dopplerowskiego

na ogół _D  100 ^_nat ale _D  gdy:

T  ₀ 

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

 metody radiospektroskopii, spektroskopii laserowej,

chłodzenie i pułapkowanie atomów i jonów





  k^ ^

 0

^

 k

 k

M M T

T k c

B

D 0

0 6

10

* 16 ,

8 7 

    ^



Metoda wiązek molekularnych

N S ^B N

S ^B

 A

B I_det

N

S

B=0 B_rf

B

En. m=+1/2 ħ



możliwość pomiaru struktury zeeman. i struktury nsbt. stanów podstawowych

 wyznaczenie momentów jądrowych

 zegary atomowe

Doświadczenie Lamba-Retherforda –

pomiar przesunięcia Lamba ¹⁹⁵⁵

pomiar w zakresie mikrofal (10



istotne własności wodoru:

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

• 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) poprawki radiacyjne QED

3 2 4

2 ) (

n mc C Z

E l 



 

 zniesienie deg. przypadkowej – rozszczep. 2S i 2P



(przesunięcie Lamba):

trudności pomiaru – poszerz. Dopplera

Tylko dla ...

mechanizm przesuni ęcia Lamba:

e p e p e p

e p

e e

+ + +

polaryzacja

próżni renorm.

masy

anomalny mom. mgt.

(g=2.0023193..)

– 27 MHz + 1017 MHz + 68 MHz

najsilniejsze efekty dla stanów s

 E / ħ =

+ 1058 MHz oddz. e - p

 przesunięcie Lamba stanu 2s

realizacja doświadczenia

H

H

2700 K

wzbudz.

do n=2 2S, 2P (10 eV)

Ly_ (121,5 nm)

N S

 w

zasada pomiaru –

przejście rezonansowe indukowane przez pole w

_w I_det

 A

2P 2S

1S

121,5 nm

• stała częstość pola rf

• zmiana rozszczep. zeeman.

 zmiana prądu detektora:

wyniki

E=1057,77  0,10 MHz