Streszczenie W8:

1. Streszczenie W8: • Widma molekularne: • str. rotacyjna, oscylacyjna, rotacyjno-oscylacyjna, wykresy Fortrata • str. elektronowa – zasady Borna-Oppenheimera i Francka-Condona •  wyznaczanie parametrów cząsteczek • Oddziaływanie atomów z polami EM: • Przybliżenie dipolowe (gdy a<<) W = -(q/m)A•p = -D•E • Reguły wyboru (różne dla różnych typów przejść (polarności), • dla elektrycznych dipolowych, tzw. E1: Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

2. Parzystość: Reguły wyboru • dla f |z| i 0, konieczna zmiana parzystościl = lf - li = 1 (reguła Laporte’a) • ponadto, f |z| i 0 m = mf – mi = 0, • f |x, y| i 0 m = mf – mi = 1 • Zasada zachowania krętu (spin fotonu = 1) • inne reguły zależne od typu wiązania, np. dla L-S: - zakaz interkombinacji: S=0 - J=0, 1 • gł. l. kwant. n – bez ograniczeń (ale gdy n duże – słabe nakładanie się radialnych f. falowych) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

3. l=2 l=1 l=0 QE D M Q E E B – inne operatory oddz. [kolejne el. szeregu A(r, t) = A0 e-ik•r )] A•p = E•D + ExQxx + B•M + ... DM, QE DE DM, QE DE 1896 Lorentz & Zeeman 1930, Frerichs & Campbell 1934 Niewodniczański Dla innych typów przejść, DE(E1)QE(E2) DM(M1)+(M2), (E3) Reguły wyboru dla innych polowości f |A•p| i – inne elementy macierz. – inne reguły WDM = -(q/2m)(Lx+2Sx)Bx cos t WQE = -(q/2m)(ypz+zpy)Ex cos t – na ogół, gdy WDE= 0, wówczas inne polowości przejść możliwe – linie wzbronione, (znacznie słabsze, bo dla  500 nm, ya0  0,05 nm czynnik k y  10-4 ) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

4. (x, t)=C1(t)U100(x)+C2(t)U210(x) ( ( x x ) ) U100 U100 ( x ) ( x ) U210 U210 0 |(x, t1)|2 Oscy lacje ładunku !!! 0 |(x, t2)|2 |(x, t2)|2 0 0 0 x 0 x gdy pole EM indukuje przejścia, tzn. f|W|i 0, stan układu staje się niestacjonarną superpozycją |i i |f. Stany niestacjonarne |i = U100(x), |f = U210(x) Np. 1s – 2p w wodorze (linia Ly, 121,5 nm): @  t1 : C1=C2 (x, t1)=c(U100 + U210) T= 2π ħ/(E2p-E1s), C1= – C2 : @  t2=t1+T/2, (x, t2)=c(U100 – U210) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

5. (normalny ef. Zeemana, S=0) w stanie stacjonarnym D= 0, ale pod wpływem fali EM  niestacjonarna superpozycja: B || 0z (0)=cos  U100 + sin  U21m   2p  1s (t) =cos  U100 + sin  e-i(+m)tU21m z rotacja wektora D+1(t) w płaszcz. x-y wokół 0z z częstością +  m = +1 B Dx+1= – d cos(+ )t Dx–1= + d cos(–)t z Dy–1= – d sin(–)t Dy+1= – d sin(+ )t Dx0= Dy0= 0 m = 0 Dz–1= 0 Dz+1= 0 B oscylacja wektora D0(t) wzdłuż 0z z częstością  Dz0= d 2 cos t z rotacja wektora D–1(t) w płaszcz. x-y wokół 0z z częstością – B m = –1 Polaryzacja światła w efekcie Zeemana D(t)= (t)|D|(t) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

6. obserwacja ||B: obserwacja  B: z 1P1 B   1S0 z B m= –1 m= +1 || B=0 –  + 0– 00+  0– 00+  tylko liniowa polaryz. ,  tylko kołowa polaryz. +, – Ba138, Ba137, Ba136 oscylujący dipol  fale EM o częst. 0,0i polaryzacji wynikającej z polaryzacji dipola i z poprzeczności fal : Obserwacja Przykład – ef. Zeemana linii 553,5 nm Ba (1S0-1P1) m= 1, m=0, m= 1 Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

7. ← obserwacja w kierunku z ← obserwacja w kierunku x Widmo kadmu (112Cd ma S=0) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

8. rach. zaburzeń zal. od czasu: H=H0+W(t) W(t)= – D•E sin t = W sin t @ t=0, |(0)= |i   |(t)= cn(t)|n f i A+ A– fi< 0 fi > 0 f i i f Gdy   –fi , A+1 >>A–1/ Gdy  fi, A+1/ <<A–1 • przejścia wymuszone przez zewn. pole EM, Absorpcja i emisja światła  0, t, Pi-f =P() ma max. emisja (wymuszona) absorpcja Em. spont. – QED    Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

9. (|W|2/4 ħ2) t2 Pi-f t1 t2> 4/t fi 1 2/ 0.5 fi 0 rezonans optyczny  inne stany mniej ważne (przybliżenie dwupoziomowe, rezonansowe) • związek z relacją nieokreśloności:   4/t • Gdy  0 (stacjonarne zaburz.), mimo to |A+| | A–| - mieszanie stanów przez stałe pole • Gdy pole niemononchromatyczne – trzeba wycałkować P() po rozkładzie  prawdopod. przejścia na jednostkę czasu - współczynniki Einsteina • Gdy poziomy nietrwałe – trzeba uśrednić po czasie uwzględniając fenomenologiczny opis emisji spontanicznej:  linie widmowe to lorentzowskie krzywe rezonansowe o skończonej szerokości  zagadnienie szerokości linii widmowych Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

10. fizyki atomowej Metody doświadczalne Obiekt badań - atomy/cząsteczki Gaz, ew. ukierunkowane wiązki at/mol. (w fazie ciekłej/stałej – silne oddz. międzycząstkowe zmieniają strukturę poziomów i własności) • Elementarne warunki prowadzenia doświadczeń: • dostępność swobodnych atomów/molekuł • możliwość ich obserwacji • bezpośr. – wizualizacja • obserwacja emisji św. • obserwacja absorpcji św. • - bezpośr.  ubytek fotonów • - pośrednio wzbudzenie określ. stanu at.  wtórny proces (emisja • fotonu, ładunku – jonizacja, reakcja chemiczna) • kontrola stanu atomów za pomocą zewn. czynników • modyfik. struktury (ef. Zeemana/Starka, opt. nieliniowa, „atom ubrany”) • manipulacja ruchem atomów w fazie gazowej • obserwacja emisji św.  tylko wizualizacja  tylko natężenie  analiza spektralna Interdyscyplinarność – np. „atomowa fizyka c. stałego Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

11. 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) (dlaokreślenia elem. macierzowych, dla badań linii widmowych,dla badań oddz. atomów z zewn. czynnikami, ....) • 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; informatyka kwantowa) • b) z innymi atomami (zderzenia) • „nowe atomy”(atomy ‘egzotyczne’, rzadkie lub nietrwałe izotopy, atomy w stanie degeneracji kwantowej) Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9

12. Ale! • przejścia wew. 1-100 keV (prom. X) • ultra-zimne atomy 10-11 eV (100 nK) Metody: 1. Spektroskopia (UV-VIS-IR, rf), laserowa, jonizacyjna typowe energie 1-10 eV: IR-UV (VUV) 2. 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, 2008/09. wykład 9

13. kwantowe superpozycje stanów atomowych/fotonowych (np. stany splątane) • przeskoki kwantowe • fotony w nowych środowiskach (fotonika, nanostruktury) • oddz. promieniowania z materią • weryfikacja teorii • dośw.  teoria • Np. Balmer  model Bohra, str. subt.  spin, QED  dośw. Lamba-Retherforda, t. słabych oddz.  niezachowanie parzystości, .... • „doświadczalna mech. kwant.” • .... • oddz. pojed. atomów z pojed. fotonami • ‘nowe stany materii’ - degeneracja kwantowa • (BEC, zimne fermiony) a) techniczne: Problemy: • dostępność źródeł światła (odpow. , natęż., selektywność – monochr.) • możliwość „trzymania” atomów (pułapkowania) • czuła detekcja, dokładne pomiary • zdolność rozdzielcza • .... b) fizyczne: Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2008/09. wykład 9