Doświadczenie Lamba-Retherforda – pomiar przesunięcia Lamba

1955 poprawki radiacyjne QED  zniesienie deg. przypadkowej – rozszczep. 2S i 2P (przesunięcie Lamba): trudności pomiaru – poszerzenie Dopplera  pomiar w zakresie mikrofal (109 Hz) zamiast w zakresie optycznym (1015 Hz) Doświadczenie Lamba-Retherforda – pomiar przesunięcia Lamba • 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 el. polem rf (mikrofale) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

Ly (121,5 nm) S H N 2700 K w A elektrony wzbudz. do n=2 2S, 2P (10 eV) 2P 2S 1S Idet 121,5 nm w realizacja doświadczenia H2 zasada pomiaru – przejście rezonansowe induk. przez pole w  zmiana prądu detektora: • stała częstość pola rf • zmiana rozszczep. zeeman. Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

1966, Alfred Kastler B B + + 2P1/2 2S1/2 2P1/2 2S1/2 detektor detektor + + mJ= –1/2 +1/2 mJ= –1/2 +1/2 + 2P1/2 2S1/2 detektor + mJ= –1/2 +1/2 time rezonans optyczny – zasada zachow. energiiħ= ħfi Pompowanie optyczne: foton niesie też kręt –zasada zachow. mom. pędu (W. Rubinowicz, 1932)  ħ absorpcja fotonu zmienia rzut krętu atomowego (reguła wyboru m=1) różnica populacji (orientacji krętu J)  rezonans między mJ= –1/2 i +1/2 • selekcja stanów kwantowych (Stern-Gerlach) • met. spinowej polaryzacji tarcz gazowych („magnesowanie gazu”), Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

B B + + 2P1/2 2S1/2 2P1/2 2S1/2 detektor detektor m=+1/2 ħ m=-1/2 En. + + mJ= –1/2 +1/2 mJ= –1/2 +1/2 B Idet B1cost + 2P1/2 2S1/2 B1=0 B10 detektor BgJB  + Pompowanie optyczne – mJ= –1/2 +1/2 podwójny rezonans Podwójny rezonans(optyczno-radiowy) • szer. linii rezonansowej b. mała (stan podstawowy)  b. precyz. pomiary (ograniczenie: zderzenia) • częst. przejść od Hz do GHz  „wzmacniacz kwantowy”: kwanty r.f. (10-12 eV) wyzwalają fotony optyczne (eV)  b. duża czułość  gaz buforujący Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

magnetometry – pomiar częstości. rez. między podpoz. zeem. (częst. Larmora)  pomiar B (dokładność porówn. ze SQUID-em) • zegary atomowe – częst. rez. przejścia między poziomami str. nadsubt. m=0 – m’=0 (słabo zależy od zewn. czynników – dobry wzorzec częstości) • masery F’=2 0 F=1 0 m’=0 m=0 B B? + = E/ħ = (m gJ B /ħ) B Idet • obrazowanie medyczne (spolaryz. 3He*, 129Xe) B1cost 0 • przygot. czystych stanów kwantowych np. do kryptografii kwantowej • etc... • etc... • etc... • etc... pompowania optycznego: liczne! Zastosowania Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

Lasery – 1965: Basow, Prochorow, Townes Zastosowania w klasycznej spektroskopii np. absorpcyjnej: próbka np. widmo Fraunhoffera detektor źródło – lampa spektr. spektroskop/ monochromator I0 ħ T     Spektroskopia laserowa • za co kochamy lasery? • monochromatyczność • kolimacja • spójność • intensywność (spektralna i przestrzenna gęstość energii) Ch.H. N.G. A.M. Townes, Basow, Prochorow • ogranicz. zdoln. rozdz. (szer.instr.) • ogr. czułość (droga opt.) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

próbka detektor lampa spektr. spektroskop/ monochromator próbka laser przestraj. detektor T T    • kolimacja  zwiększ. czułości (drogi opt.)  Lasery w spektroskopii klasycznej • monochromatyczność  zwiększ. zdolności rozdz. (instr doppler) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

1981, N. Bloembergen, A. Schawlow Laserowa spektroskopia bezdopplerowska • Spektroskopia nasyceniowa • Spektroskopia dwufotonowa Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

  1/I ubytek fotonów  spektro.abs. rozprosz. fot.  fluorescencja spektro. emisyjna 0 0  1/I  0 I oscylacje Rabiego Nasycenie abs. (przejścia) przez silne pole Nasycenie: • słabe pole EM (mało fotonów/sek)  śr. populacje • silne pole EM (dużo fotonów/sek)  śr. populacje  próbka prawie przezroczysta = Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

prawdopodobieństwo absorpcji fotonu ef. Dopplera:   0 Lab 0 Lab 0 Lab rozszerzenie dopplerowskie Selekcja prędkości Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

silne pole N2(z) N2(z) 0 kz 0 kz N1(z) N1(z) 0 kz 0 kz wybranej nasycenie wybranej grupy atomów Selekcja prędkości – c.d. • słabe pole (selekcja prędkości) dla wiązki o częstości L w rezonansie są atomy o prędkości Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

T  nasycane różne klasy prędkości  zmniejszenie kontrastu widma abs. i poszerzenie linii bo 0  Wzm. fazoczuły detektor próbka 0 kz • gdy 1 wiązka laserowa • przestrajana wokół 0 1 wiązka • gdy 2 wiązki (słaba + silna) laser przestraj. w. próbkująca (–k) w. nasycająca (+k) Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

+k –k 0 kz 0Laser     0 =0= kalibracja skali !!! T 1/ D Eliminacja poszerzenia dopplerowskiego: 1. Spektroskopia saturacyjna L  Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

Parity 2 (+) 1 (+)  N2()  ħ2 ħ1 = ħ(2 – 2k•) 21 2 = ħ(2 + 2k•) = ħ(2 + k• – k•) = 2 ħ N2() 21 2 N2() 21 2 Reguły wyboru dla jednofotonowych przejść E1 (El-dipol.)  zmiana parzystości między stanami o tym samym lpotrzeba 2n fotonów  małe prawdopodobieństwo – możliwe tylko dla silnych pól EM 2. Spektroskopia dwufotonowa E2 – E1= ħ(1+ 2) Ef. Dopplera + Założenie 1= 2=   kompensacja ef. D. niezależnie od  ! wszystkie atomy dają wkład  nadrabiane małe prawdopodobieństwo Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

Doświadczenie Lamba-Retherforda – pomiar przesunięcia Lamba