xi. inversní linie čpavku: sláva a pád
Post on 02-Jan-2016
43 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
1
XI. Inversní linie čpavku: Sláva a pád
KOTLÁŘSKÁ 5. KVĚTNA 2010
F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav
letní semestr 2009 - 2010
Úvodem
• inversní linie čpavku jako případ spontánního narušení symetrie• kvantově chemický výklad tvaru molekuly čpavku• symetrie čtyřatomových molekul • normální kmity čpavku a dublety• vysvětlení dubletu tunelováním napříč barierou• explicitní výpočet pro modely dvou typů• čpavkové hodiny• dvouhladinový maser
Pyramidální molekula:případ spontánního narušení symetrie
4
F
F
F
B
BF3
U
hrovina F
Rovnovážná struktura molekul AB3
U
hrovina H
U adiabatická potenciální energie
N
N
NH3
NNN
NNNNN
HH
H
5
F
F
F
B
BF3
U
hrovina F
Rovnovážná struktura molekul AB3
U
hrovina H
U adiabatická potenciální energie
N
N
NH3
NNN
NNNNN
HH
H
6
F
F
F
B
BF3
U
hrovina F
Rovnovážná struktura molekul AB3
U
hrovina H
U adiabatická potenciální energie
PLANÁRNÍ STRUKTURA
NESTABILNÍSTABILNÍ
N
N
NH3
NNN
NNNNN
HH
H
planární
metastabilní rovnováhadegenerovanýzákladní stav
stabilní rovnováhanedegenerovaný
základní stav
7
F
F
F
B
BF3
U
hrovina F
Rovnovážná struktura molekul AB3
U
hrovina H
U adiabatická potenciální energie
PLANÁRNÍ STRUKTURA
NESTABILNÍSTABILNÍ
N
N
NH3
NNN
NNNNN
HH
H
planární
PŘÍKLAD SPONTÁNNÍHO NARUŠENÍ SYMETRIEDvě rovnocenné polohy atomu dusíku oddělené barierou
atomová žabka# Každý z rovnovážných (základních) stavů má symetrii nižší než U(h) # Soubor všech (... zde obou) rovnovážných stavů má úplnou symetrii
8
F
F
F
B
BF3
U
hrovina F
Rovnovážná struktura molekul AB3
U
hrovina H
U adiabatická potenciální energie
PLANÁRNÍ STRUKTURA
NESTABILNÍSTABILNÍ
N
N
NH3
NNN
NNNNN
HH
H
planární
PŘÍKLAD SPONTÁNNÍHO NARUŠENÍ SYMETRIEDvě rovnocenné polohy atomu dusíku oddělené barierou
atomová žabkaOba stavy se dají navzájem převést také pohybem, např. otočením kolem
vodorovné osy. Nejsou tedy dva druhy amoniaku.Stereoisomery L a D také mají také mezi sebou barieru, jsou však dvojí.
9
F
F
F
B
BF3
U
hrovina F
Rovnovážná struktura molekul AB3
U
hrovina H
U adiabatická potenciální energie
N
N
NH3
NNN
NNNNN
HH
H
Amoniak -- příklad pyramidální molekuly.
dvě minima potenciální energie
mezi nimi bariera.
V případě amoniaku máme navíc:
Bariera je kvantová a dovoluje
tunelování mezi oběma stavy. Ty jsou
nestacionární
10
F
F
F
B
BF3
U
hrovina F
Rovnovážná struktura molekul AB3
U
hrovina H
U adiabatická potenciální energie
N
N
NH3
NNN
NNNNN
HH
H
Amoniak -- příklad pyramidální molekuly.
dvě minima potenciální energie
mezi nimi bariera.
V případě amoniaku máme navíc:
Bariera je kvantová a dovoluje
tunelování mezi oběma stavy. Ty jsou
nestacionární
11
F
F
F
B
BF3
U
hrovina F
Rovnovážná struktura molekul AB3
U
hrovina H
U adiabatická potenciální energie
N
N
NH3
NNN
NNNNN
HH
H
Amoniak -- příklad pyramidální molekuly.
dvě minima potenciální energie
mezi nimi bariera.
U amoniaku navíc:
Bariera je kvantová a dovoluje
tunelování mezi oběma stavy. Ty
jsou nestacionární
Od planární k pyramidální molekule: snížení bodové symetrie
13
BF3: grupa symetrie bipyramidy, řád 12
h
v
v
D3h
C3&S3
C2
C2 C2
BF3
FF
FNNNB
3 3 22 3 2 3v hI C S C
v
14
NH3 : grupa symetrie pyramidy
v
v
C3
3 3 222 33 v hI S CC
N
NH3
NNNNN
HH
H
v
C3v
INTERMEZZOFyzikální příčiny
spontánního narušení symetrie
16
Východiskem je periodický systém
17
Elektronové konfigurace centrálního atomu
3 valenční el.
konfig. s2p1
bor
18
Elektronové konfigurace centrálního atomu
3 valenční el.
konfig. s2p1
5 valenčních el.
konfig. s2p3
bor
dusík
19
Starobylá úprava periodické tabulky
20
Starobylá úprava periodické tabulky
oxidy
21
Starobylá úprava periodické tabulky
oxidyhydridy
22
Souvislost s elektronovou strukturou
konfigurace s1 s2 s2p1 s2p2 s2p3 s2p4 s2p5
hybridizace s sp sp2 sp3 sp3 sp3 s, p3
volné el. páry 1 2 3
23
Levá polovina periody
sp3
sp2
sp
24
Pravá polovina periody
volný pár
25
Komplex NH3 BF3
Pyramidální molekula:geometrická struktura
27
28
29
b
h
a/2t/3
/2
v
30
b
h
a/2t/3
/2
v
2 2
2 2
sin cos2 2 2
3( / 3)
3 2 3
1cos sin
2 3 2
ab v b
t ah v t
h b
Výška pyramidy
1(1 2cos )
3h b
molekula h/Å
NH3 0.38
PH3 0.77
AsH3 0.85
31
Skutečný tvar molekuly NH3
38 pm
101 pm
32
Skutečný tvar molekuly NH3
38 pm
101 pm
snadno se prolomí
ohnutím vazeb
( „ deštníkový mód “ )
33
Skutečný tvar molekuly NH3
34
Skutečný tvar molekuly NH3
35
Skutečný tvar molekuly NH3
36
Skutečný tvar molekuly NH3
37
Skutečný tvar molekuly NH3
Pyramidální molekula:normální kmity
39
Vibrace pyramidálních molekul v harmonickém přiblížení
4 atomy … 12 stupňů volnosti
3 translace, 3 tuhé rotace …
6 normálních kmitů
symetrie molekuly je C3v … tvar normálních kmitů
40
Normální kmity pyramidálních molekul typu amoniaku
symetrie A1, osová symetrie E, 2x degenerovaná
kmit 1
bond bending
kmit 3
bond stretching
kmit 2
nemá C3 , degenerace
kmit 4
obdobné
41
Normální kmity pyramidálních molekul typu amoniaku
symetrie A1, osová symetrie E, 2x degenerovaná
kmit 1
bond bending
kmit 3
bond stretching
kmit 4
obdobné
otočení o 120 o
kmit 2
nemá C3 , degenerace
42
Normální kmity pyramidálních molekul typu amoniaku
symetrie A1, osová symetrie E, 2x degenerovaná
kmit 1
bond bending
kmit 3
bond stretching
kmit 4
obdobné
otočení o 120 o
otočení o 240 o
lze složit z prvních dvou
kmit 2
nemá C3 , degenerace
43
Normální kmity pyramidálních molekul typu amoniaku
symetrie A1, osová symetrie E, 2x degenerovaná
kmit 1
bond bending
kmit 3
bond stretching
kmit 2
kmit 4
Experimentálně určené kmity
kmit vlnočet/cm-1 vlnová délka/m
1 950 10.5
2 1627.5 6.1
3 3336.0 3.0
4 3414.0 2.9
44
Normální kmity pyramidálních molekul typu amoniaku
symetrie A1, osová symetrie E, 2x degenerovaná
kmit 1
bond bending
kmit 3
bond stretching
kmit 2
kmit 4
Experimentálně určené kmity
kmit vlnočet/cm-1 vlnová délka/m
1 950 10.5
2 1627.5 6.1
3 3336.0 3.0
4 3414.0 2.9
931.58 968.08
3335.9 3337.5
TAJEMNÝ DUBLET
45
Normální kmity pyramidálních molekul typu amoniaku
symetrie A1, osová symetrie E, 2x degenerovaná
kmit 1
bond bending
kmit 3
bond stretching
kmit 2
kmit 4
Experimentálně určené kmity
kmit vlnočet/cm-1 vlnová délka/m
1 950 10.5
2 1627.5 6.1
3 3336.0 3.0
4 3414.0 2.9
931.58 968.08
3335.9 3337.5
TAJEMNÝ DUBLET
pro nás důležité: stejná symetrie, jako
"žabkový" tunelový přeskok,souvisí
Pyramidální molekula:tunelování
47
Role tunelování v IR spektroskopii amoniakuKVALITATIVNÍ ÚVAHA
V klasické fysice jsou při energiích
obě jámy odděleny. Kvantově však může např. stav pronikat do horní jámy. Není tedy stacionární
D
MOŽNÉ PŘÍSTUPY
• ab initio výpočet zahrnující jádra i adiabaticky se měnící elektronové rozdělení
• modelové výpočty: symetrie A1, jednorozměrná úloha, reduk. hmotnost zhruba odp. jednomu N a třem H v protipohybu, modelová konstrukce U(x) – známe frekvence vibrací a vzdálenost minim 2h, z rozštěpení dubletu fitujeme barieru
• abstraktní přístup: dynamiku systému zkoumáme jako dynamiku dvou navzájem propojených stavů.
U
x-h +h
D HE
0U
0E U
48
Role tunelování v IR spektroskopii amoniakuKVALITATIVNÍ ÚVAHA
V klasické fysice jsou při energiích
obě jámy odděleny. Kvantově však může např. stav pronikat do horní jámy. Není tedy stacionární
D
MOŽNÉ PŘÍSTUPY
• ab initio výpočet zahrnující jádra i adiabaticky se měnící elektronové rozdělení
• modelové výpočty: symetrie A1, jednorozměrná úloha, reduk. hmotnost zhruba odp. jednomu N a třem H v protipohybu, modelová konstrukce U(x) – známe frekvence vibrací a vzdálenost minim 2h, z rozštěpení dubletu fitujeme barieru
• abstraktní přístup: dynamiku systému zkoumáme jako dynamiku dvou navzájem propojených stavů.
to dnes NE
U
x-h +h
D HE
0U
NYNÍ PROVEDEME
0E U
49
Příklad modelového výpočtu
Implementace modelového postupu podle E. Merzbachera
• redukovaná hmotnost
• modelová potenciální energie
všechno je tu známo, bariera je zcela určena. Její výška se rovná
• na každé polopřímce přechází Schrödingerova rovnici na posunutý lineární oscilátor:
• na hranici obou poloos se provede sešití dílčích řešení.
H X
H X
3, X N,P,As...
3
m mm
m m
2 2102( ) (| | )U x m x h
2 210 02(0)V V m h
0, 0x x
22 2102
22 2102
'' ( ) , 0,2
'' ( ) , 0,2
m x h E xm
m x h E xm
1deštníkový kmit
50
AsH3
Modelové potenciály pro amoniak a arsan
NH3
100.38 10 m
4.48
h
100.85 10 m
10.8
h
51
Příklad modelového výpočtu
Implementace modelového postupu podle E. Merzbachera
• redukovaná hmotnost
• modelová potenciální energie
všechno je tu známo, bariera je zcela určena. Její výška se rovná
• na každé polopřímce přechází Schrödingerova rovnici na posunutý lineární oscilátor:
• na hranici obou poloos se provede sešití dílčích řešení.
H X
H X
3, X N,P,As...
3
m mm
m m
2 2102( ) (| | )U x m x h
2 210 02(0)V V m h
0, 0x x
22 2102
22 2102
'' ( ) , 0,2
'' ( ) , 0,2
m x h E xm
m x h E xm
1deštníkový kmit
52
Řešení a výsledky modelového výpočtu
• Použití speciálních funkcíPro obecnou hodnotu energie je SR pro lineární oscilátor řešena tzv. funkcemi parabolického cylindru
Partikulární řešení se správnou asymptotikou při je
Všechno se najde v příručkách, jako je Abramowicz&Stegun, nebo v Mathematica, …• Použití symetriesystém je symetrický vůči počátku, řešení jsou tedy buď lichá, nebo sudá .
• Sešití při x = 0
221
0 420
d, , 0
2 dx E
m
21 12 2
12
2( ) e 1 ( )D O
1 1
2 2
0
0
0 0 0 0 , 0 0 0 0 ,
0 , 0 ,
2
D D
hm
bezrozměrná šířka bariéry
53
54
Řešení a výsledky modelového výpočtu
• Použití speciálních funkcíPro obecnou hodnotu energie je SR pro lineární oscilátor řešena tzv. funkcemi parabolického cylindru
Partikulární řešení se správnou asymptotikou při je
Všechno se najde v příručkách, jako je Abramowicz&Stegun, nebo v Mathematica, …• Použití symetriesystém je symetrický vůči počátku, řešení jsou tedy buď lichá, nebo sudá .
• Sešití při x = 0
221
0 420
d, , 0
2 dx E
m
21 12 2
12
2( ) e 1 ( )D O
1 1
2 2
0
0
0 0 0 0 , 0 0 0 0 ,
0 , 0 ,
2
D D
hm
bezrozměrná šířka bariéry
55
Hladiny energie v závislosti na h
bezrozměrná šířka bariéry
bezr
ozm
ěrná
ene
rgie
bezr
ozm
ěrná
výš
ka b
arié
ry
56
Vlnové funkce v závislosti na h
0 4
bezrozměrná šířka bariéry
bezr
ozm
ěrná
ene
rgie
57
Vlnové funkce v závislosti na h
0 4
bezrozměrná šířka bariéry
bezr
ozm
ěrná
ene
rgie
58
Interpretace výsledků a jejich zobecnění
HLADINY PRO REALISTIČTĚJŠÍ POTENCIÁL
• anharmonicita pro vysoké energie • asymetrie jámy pro nízké energie• snížení bariery proti prostému průsečíku
• dva režimy: nad barierou a pod barierou (naše)• degenerované hladiny se rozštěpí• málo pro základní stav, více pro excitované stavy• jeden stav je vždy sudý, jeden lichý
• pro optické přechody jsou výběrová pravidla ■ změna kvantového čísla jedné jámy o ±1 ■ v dubletech přechod sudý lichý
59
Interpretace výsledků a jejich zobecnění
PŘECHODY V AMONIAKU
IR přechody, dublet pochází od rozštěpení horní hladiny zhruba 36 inversních centimetrů kolem 950 cm-1
HLADINY PRO REALISTIČTĚJŠÍ POTENCIÁL
• anharmonicita pro vysoké energie • asymetrie jámy pro nízké energie• snížení bariery proti prostému průsečíku
• dva režimy: nad barierou a pod barierou (naše)• degenerované hladiny se rozštěpí• málo pro základní stav, více pro excitované stavy• jeden stav je vždy sudý, jeden lichý
• pro optické přechody jsou výběrová pravidla ■ změna kvantového čísla jedné jámy o ±1 ■ v dubletech přechod sudý lichý
60
Interpretace výsledků a jejich zobecnění
PŘECHODY V AMONIAKU
IR přechody, dublet pochází od rozštěpení horní hladiny zhruba 36 inversních centimetrů kolem 950 cm-1
mikrovlnný přechod 23800 MHz, tj. 0.79 cm-1
Ten je odpovědný za inversní čáru atd.
HLADINY PRO REALISTIČTĚJŠÍ POTENCIÁL
• anharmonicita pro vysoké energie • asymetrie jámy pro nízké energie• snížení bariery proti prostému průsečíku
• dva režimy: nad barierou a pod barierou (naše)• degenerované hladiny se rozštěpí• málo pro základní stav, více pro excitované stavy• jeden stav je vždy sudý, jeden lichý
• pro optické přechody jsou výběrová pravidla ■ změna kvantového čísla jedné jámy o ±1 ■ v dubletech přechod sudý lichý
12,7mm
61
Interpretace výsledků a jejich zobecnění
PŘECHODY V AMONIAKU
IR přechody, dublet pochází od rozštěpení horní hladiny zhruba 36 inversních centimetrů kolem 950 cm-1
mikrovlnný přechod 23800 MHz, tj. 0.79 cm-1
Ten je odpovědný za inversní čáru atd.
DVOUHLADINOVÝ PODSYSTÉM
HLADINY PRO REALISTIČTĚJŠÍ POTENCIÁL
• anharmonicita pro vysoké energie • asymetrie jámy pro nízké energie• snížení bariery proti prostému průsečíku
• dva režimy: nad barierou a pod barierou (naše)• degenerované hladiny se rozštěpí• málo pro základní stav, více pro excitované stavy• jeden stav je vždy sudý, jeden lichý
• pro optické přechody jsou výběrová pravidla ■ změna kvantového čísla jedné jámy o ±1 ■ v dubletech přechod sudý lichý
62
Role tunelování v IR spektroskopii amoniakuKVALITATIVNÍ ÚVAHA
V klasické fysice jsou při energiích
obě jámy odděleny. Kvantově však může např. stav pronikat do horní jámy. Není tedy stacionární
D
MOŽNÉ PŘÍSTUPY
• ab initio výpočet zahrnující jádra i adiabaticky se měnící elektronové rozdělení
• modelové výpočty: symetrie A1, jednorozměrná úloha, reduk. hmotnost zhruba odp. jednomu N a třem H v protipohybu, modelová konstrukce U(x) – známe frekvence vibrací a vzdálenost minim 2h, z rozštěpení dubletu fitujeme barieru
• abstraktní přístup: dynamiku systému zkoumáme jako dynamiku dvou navzájem propojených stavů.
U
x-h +h
D HE
0U
0E U
to dnes NE
Jeden příklad jsme viděli, další někdy jindy
NYNÍ PROVEDEME
63
Dynamika dvouhladinového systému
Schrödingerova rovnice
Dvoustavový systém (zvolený model)
Systém vázaných rovnic pro koeficienty ekvivalentní se SR
00,ˆi
tHt
0
2 2
( ) ( ) ,
(0) (0) ,
1
D H
D H
D H
c t D c t H
c D c H
c c
0
i ( ) ( ) ( )
i ( ) ( ) ( )
, 0
D DD D DH H
H HD D HH H
DD HH
DH HD
c t H c t H c tt
c t H c t H c tt
H H E
H H K K
64
Dynamika dvouhladinového systému
Stacionární stavy
´
ve shodě s modelovým výpočtem podle Merbachera
i /
1i /2
0
1i /2
0
e , , , ,
2 e ,
2 e ,
S
A
E tB B
E tS
E tA
c C S A B D H
S D H E E K
A D H E E K
0 0 2 E K E
65
1 1
2 2
0
2 12
2 12
(0) 1, (0) 0
(0) 2 , (0) 2
exp( i / ){ cos( / ) sin( / )}
(1 cos(2 / ))
(1 cos(2 / ))
2 2
2
D H
S A
D
H
c c
c c
E t D Kt H Kt
c Kt
c Kt
K hT
T K
Dynamika dvouhladinového systému
Časově závislé řešení řešení začínající zdola
66
1 1
2 2
0
2 12
2 12
(0) 1, (0) 0
(0) 2 , (0) 2
exp( i / ){ cos( / ) sin( / )}
(1 cos(2 / ))
(1 cos(2 / ))
2 2
2
D H
S A
D
H
c c
c c
E t D Kt H Kt
c Kt
c Kt
K hT
T K
Dynamika dvouhladinového systému
Časově závislé řešení řešení začínající zdola
frekvence oscilací odpovídá rozštěpení hladin
0 0 2 E K E
Čpavkové hodiny:první „atomové hodiny“
68
Oficiální zdůvodnění pro stavbu čpavkových hodin v NBS
Program atomových hodin NBS usiloval o získání spektroskopického standardu který by mohl být využit jako nový atomový standard času a frekvence, nahražující
střední sluneční den a tak zaměňující libovolné jednotky času atomovými. S takovými hodinami by mohly být stanoveny nové přesné hodnoty rychlosti světla;
nová měření rotace Země by nabídly nový nástroj pro geofysiku; nová měření středního siderického roku by mohla ověřit rovnost newtonovského a atomového
času s významnými dúsledky pro teorii relativity a kosmologii.
The Bureau atomic clock program sought to provide a spectroscopic standard capable of being used as a new atomic standard of time and frequency to replace the mean solar day and so change the arbitrary units of time to atomic ones. With
such a clock, new precise values might be found for the velocity of light; new measurements of the rotation of the earth would provide a new tool for
geophysicists; and new measurements of the mean sidereal year might test whether Newtonian and atomic time are the same, yielding important results for
relativity theory and cosmology.
69
Čpavkové hodiny
Dr. Lyons konstruktér
Dr. Condon ředitel NBS
resonátor Trochu divná historie
Stabilisace parami amoniaku byla známa pro klystrony už za války a možná i dřív.
Po válce se rozpoutala soutěž o "atomový" časový standard.
NBS (nyní NIST) se rozhodl pro rychlou akci a použít amoniaku k řízení křemenných hodin, ač se vědělo, že perspektivní jsou spíš elektronové přechody v parách alkalických kovů.
Sám přechod měl šířku čáry jen 1kHz, to bylo slibné. Problém ale nastal s Dopplerovým rozšířením a také s tlakovou závislostí šířky čáry. Nikdy nebyla přesnost lepší než 10-8 a proto nebyla předstižena časomíra odvozená od tropického roku, ačkoli denní cyklus Slunce byl zhruba srovnatelný.
70
Další vývoj (v NBS – NIST)
71
Další vývoj (v NBS – NIST)
Srovnatelné, nebo lepší výsledky
PTB Braunschweig, Německo
Laboratoire Primaire du Temps et des Frequences (LPTF)
Objev maseru
73
PREHISTORIE: POJEM STIMULOVANÉ EMISE
• Začalo to Einsteinem. Ten zavedl (1916) představu stimulované emise. Na systém dopadá elektromagnetické záření. To s určitou pravděpodobností ovlivní každý atom:
• Vedle toho tu byla spontánní emise:
•
První maser
deexcitovaný systémfoton se pohltí
systém se excituje
excitovaný systémfoton se vyzáří
systém se deexcituje
b
aW
excitovaný atomární systém není stabilní, ani když by byl plně isolovaný od světa. Spontánně se vyzáří foton a systém se
deexcituje. Tomu odpovídá "přirozená šířka linie".
Fysikální příčina: vše pronikající elektromagnetické vakuum
a jeho kvantové fluktuace
74
První maser
POJEM STIMULOVANÉ EMISE
• Celkově máme tři souběžné procesy
• Bilanční rovnice:
•
,
Einsteinovy koeficienty
hustota molekul ve stavu
hustota elektromagn. en
d
d
e
,
,
rgie
ab b ba a ab b ba ab
a b
IA N B N I B N I B B
tA B
N a b
I
spontánní emise
absorpce stimulovaná emise
b
aW
75
První maser
ZESÍLENÍ SVĚTLA VLIVEM STIMULOVANÉ EMISE
• Brzo vznikla myšlenka, že v plynu, kde převáží excitované molekuly, může dojít k zesílení světla stimulovanou emisí:
NEROVNOVÁŽNÝ STAV: ZESÍLENÍROVNOVÁŽNÝ STAV: ZESLABENÍ
ztráty
d d
d db b a
I IA N B N N I
t t
e , 0b a b aWN N N N ?0, eb a b a
WN N N N
obyčejný Boltzmannův faktor absorpční ztráty převládají
inversní populace hladin „záporná teplota“
převládá stimulovaná emise
76
První maser
ZESÍLENÍ SVĚTLA VLIVEM STIMULOVANÉ EMISE
• Brzo vznikla myšlenka, že v plynu, kde převáží excitované molekuly, může dojít k zesílení světla stimulovanou emisí:
NEROVNOVÁŽNÝ STAV: ZESÍLENÍROVNOVÁŽNÝ STAV: ZESLABENÍ
ztráty
d d
d db b a
I IA N B N N I
t t
e , 0b a b aWN N N N ?0, eb a b a
WN N N N
obyčejný Boltzmannův faktor absorpční ztráty převládají
inversní populace hladin „záporná teplota“
převládá stimulovaná emise
inversní populaci nutno obnovovat
"obyčejná" situace sama se udržuje
77
První maser
Jak toho ale dosáhnout? První, spíše demonstrační realisace vznikla v laboratoři C.H. Townese (Columbia U.).
Myšlenka v r. 1951, realisace v r. 1954.
• Také zde vycházeli z válečných poznatků (CHT byl radarový specialista)
• Záření uzavřít do kvalitního resonátoru, jen slabý přebytek výkonu vyvádět
• Hlavní problém: stálá obnova inversní populace
… průtokovým uspořádáním
• Kde inversní populaci získat
… separátorem
78
Čpavkový maser
79
Čpavkový maser
ZDROJ
dával směs excitovaných a deexcitovaných
molekul, zhruba se stejnou vahou
80
Čpavkový maser
ZDROJ
dával směs excitovaných a deexcitovaných
molekul, zhruba se stejnou vahou
SEPARÁTOR
byl klíčovou částí. Molekuly v symetrickém a antisymetrickém stavu měly různé elektrické dipólové momenty. V nehomogenním poli kvadrupólových elektrod byly excitované antisym. stavy vtahovány k ose svazku, sym. stavy byly odstraněny
81
Čpavkový maser
ZDROJ
dával směs excitovaných a deexcitovaných
molekul, zhruba se stejnou vahou
SEPARÁTOR
byl klíčovou částí. Molekuly v symetrickém a antisymetrickém stavu měly různé elektrické dipólové momenty. V nehomogenním poli kvadrupólových elektrod byly excitované antisym. stavy vtahovány k ose svazku, sym. stavy byly odstraněny
RESONÁTOR
byl protékán excitovaným plynem a
napájen z klystronu budicím zářením. Skutečně došlo k
stimulované emisi a zesílení signálu
82
Čpavkový maser
ZDROJ
dával směs excitovaných a deexcitovaných
molekul, zhruba se stejnou vahou
SEPARÁTOR
byl klíčovou částí. Molekuly v symetrickém a antisymetrickém stavu měly různé elektrické dipólové momenty. V nehomogenním poli kvadrupólových elektrod byly excitované antisym. stavy vtahovány k ose svazku, sym. stavy byly odstraněny
RESONÁTOR
byl protékán excitovaným plynem a
napájen z klystronu budicím zářením. Skutečně došlo k
stimulované emisi a zesílení signálu
83
Townes a Gordon se svým maserem
84
Townes maser Gordon
NP 1964
85
Vznik slova “Maser”: až ve druhém sdělení
86
Co pozorovali
• zesílení mikrovlnného signálu – původní plán
• při průtoku amoniaku nad kritickou hodnotu systém fungoval jako generátor záření (autoři říkají oscilátor), tj. zářil i bez pomocné stimulace vnějším polem
• vyzařovaná čára byla velmi ostrá … šířka 2kHz při 23.8 GHz vlastně tedy koherentní záření
• s tím souvisel i mimořádně malý šum
87
Co pozorovali
• zesílení mikrovlnného signálu – původní plán
• při průtoku amoniaku nad kritickou hodnotu systém fungoval jako generátor záření (autoři říkají oscilátor), tj. zářil i bez pomocné stimulace vnějším polem
• vyzařovaná čára byla velmi ostrá … šířka 2kHz při 23.8 GHz vlastně tedy koherentní záření
• s tím souvisel i mimořádně malý šum
základní charakteristiky maserů a laserů
88
Další vývoj
I zde první, a to naprosto úspěšný pokus, ale pokračování bylo jen krátké
Problém: jde o dvouhladinový systém, obnova inversní populace obtížná
Již 1956 Nico Bloembergen (NP 1982) přichází s tříhladinovým systémem, kde kontinuální provoz je mnohem snazší
a odtud pokračuje další vývoj, zejména směrem k laserům
pump
masing
The end
top related