doświadczenie lamba-retherforda – pomiar przesunięcia lamba

Wojciech Gawlik - Struktury Atomowe i Molekularne, 2004/05. wykład 12

1

Doświadczenie Lamba-Retherforda – pomiar przesunięcia Lamba 1955

pomiar w zakresie mikrofal (109 Hz) zamiast w zakresie optycznym (1015 Hz)

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)

poprawki radiacyjne QED

3

24

2

)(

n

mcZCE

l

zniesienie deg. przypadkowej – rozszczep. 2S i 2P (przesunięcie Lamba):

trudności pomiaru – poszerzenie Dopplera


2

realizacja doświadczenia

H2 H

2700 K

elektrony wzbudz. do n=2 2S, 2P

(10 eV)

Ly (121,5 nm)

N

S

w

zasada pomiaru – przejście rezonansowe induk. przez pole w

w

Idet

A

2P 2S

1S

121,5 nm

• stała częstość pola rf • zmiana rozszczep. zeeman.

zmiana prądu detektora:


3

Pompowanie optyczne:

1966, Alfred Kastler

rezonans optyczny – zasada zachow. energii ħ= ħfi

foton niesie też kręt – zasada zachow. mom. pędu (W. Rubinowicz, 1932)

ħ absorpcja fotonu zmienia rzut krętu atomowego (reguła wyboru m=1)

2P1/2

2S1/2mJ= –1/2 +1/2

detektor+

+

B2P1/2

2S1/2mJ= –1/2 +1/2

detektor+

+

2P1/2

2S1/2mJ= –1/2 +1/2

detektor+

+

B

• selekcja stanów kwantowych (Stern-Gerlach)

• met. spinowej polaryzacji tarcz gazowych („magnesowanie gazu”),

time

różnica populacji (orientacji krętu J) rezonans między mJ= –1/2 i +1/2


4

podwójny rezonans

BgJB

Idet

B

En. m=+1/2

ħ m=-1/2

Podwójny rezonans (optyczno-radiowy)Podwójny rezonans (optyczno-radiowy)

• szer. linii rezonansowej b. mała (stan podstawowy)

b. precyz. pomiary (ograniczenie: zderzenia)

Pompowanie optyczne –

gaz buforujący

2P1/2

2S1/2mJ= –1/2 +1/2

detektor+

+

2P1/2

2S1/2mJ= –1/2 +1/2

detektor+

+

B

• częst. przejść od Hz do GHz „wzmacniacz kwantowy”: kwanty r.f. (10-12 eV) wyzwalają fotony optyczne (eV) b. duża czułość

2P1/2

2S1/2mJ= –1/2 +1/2

detektor+

+

B

B1cost

B1=0 B10


5

Zastosowania

pompowania optycznego:

• obrazowanie medyczne (spolaryz. 3He*, 129Xe)

• zegary atomowe – częst. rez. przejścia między poziomami str. nadsubt. m=0 – m’=0 (słabo zależy od zewn. czynników – dobry wzorzec częstości)

• masery

m’=0

m=0

B

F’=2

0

F=1

0

• magnetometry – pomiar częstości. rez. między podpoz. zeem. (częst. Larmora) pomiar B (dokładność porówn. ze SQUID-em)

+ B?

B1cost = E/ħ = (m gJ B /ħ) B

liczne!

• przygot. czystych stanów kwantowych np. do kryptografii kwantowej

• etc...

• etc...

0

Idet

• etc...• etc...


6

Spektroskopia Spektroskopia laserowalaserowa

spektroskop/ monochromator

za co kochamy lasery? - monochromatyczność- kolimacja - spójność- intensywność (spektralna i przestrzenna gęstość energii)

ħ

-ogranicz. zdoln. rozdz. (szer.instr.)

-ogr. czułość (droga opt.)

I0

T

Lasery – 1965: Basow, Prochorow, Townes

np. widmo Fraunhoffera np. widmo Fraunhoffera

Zastosowania w klasycznej spektroskopii np. absorpcyjnej:LeIIT )(

det0

detektorpróbka

źródło – lampa spektr.

Ch.H. N.G. A.M. Townes, Basow, Prochorow


7

Lasery w spektroskopii Lasery w spektroskopii klasycznejklasycznej

T

T

detektorpróbka

lampa spektr.

spektroskop/ monochromator

• monochromatyczność zwiększ. zdolności rozdz.

(instr doppler)

detektorpróbkalaser przestraj.

• kolimacja zwiększ. czułości (drogi opt.)


8

Laserowa spektroskopia Laserowa spektroskopia bezdopplerowskabezdopplerowska

1.1. Spektroskopia nasyceniowaSpektroskopia nasyceniowa

2.2. Spektroskopia dwufotonowaSpektroskopia dwufotonowa

1981, N. Bloembergen, A. Schawlow


9

21NN

Nasycenie:•słabe pole EM (mało fotonów/sek)

•silne pole EM (dużo fotonów/sek)

śr. populacje

1/I

rozprosz. fot. fluorescencja spektro. emisyjna

ubytek fotonów spektro.abs.

LeII )(

0

0

0 0 I

II

0)(

śr. populacje

1/I

oscylacje Rabiego

Nasycenie abs. (przejścia) przez silne pole próbka prawie przezroczysta =


10

Selekcja prędkości

0 Lab

kef. Dopplera:

rozszerzenie dopplerowskie

2

De

0 Lab

0 Lab

22

0

1)(

1

2

1)(

tfitPprawdopodobieństwo absorpcji

fotonu


11

M

Tkku B

2

Selekcja prędkości – c.d.

0 kz

N2(z)

2

ku

kz

e

Tk

E

BeN

N

1

2

kL

z0

• słabe pole

nasycenie wybranej grupy atomów wybranej

0 kz

N1(z)

• silne pole

0 kz

N2(z)

0 kz

N1(z)

dla wiązki o częstości L w rezonansie są

atomy o prędkości

(selekcja prędkości)


12

• gdy 1 wiązka laserowa przestrajana wokół 0

• gdy 2 wiązki (słaba + silna)

Wzm. fazoczuły

detektorpróbka

laser przestraj.

w. próbkująca (–k) w. nasycająca (+k)

1 wiązka

21NN

0

T 0 kz

nasycane różne klasy prędkości

zmniejszenie kontrastu widma abs.

i poszerzenie linii bo


13

kL

z

0

kL

z

0

L

0 Laser

T

21NN

0 kz

Eliminacja poszerzenia dopplerowskiego: 1. Spektroskopia 1. Spektroskopia saturacyjnasaturacyjna

1/

D

kalibracja skali !!!

0

= 0 =

+k –k


14

2. Spektroskopia dwufotonowa2. Spektroskopia dwufotonowaReguły wyboru dla jednofotonowych przejść E1 (El-dipol.) zmiana parzystości

między stanami o tym samym l potrzeba 2n fotonów małe prawdopodobieństwo

– możliwe tylko dla silnych pól EM

Parity 2 (+)

1 (+)

ħ2

ħ1

E2 – E1= ħ(1+ 2) Ef. Dopplera + Założenie 1= 2=

21 2

N2()

21 2

N2()

kompensacja ef. D. niezależnie od !

= ħ(2 – 2k•)

= ħ(2 + 2k•)

= ħ(2 + k• – k•) = 2 ħ

wszystkie atomy dają wkład nadrabiane małe prawdopodobieństwo 21 2

N2()

doświadczenie lamba-retherforda – pomiar przesunięcia lamba

Documents