Atomphysik 1
Wahlpflichtmodul für BA Physik (3CP)
Reinhard Dörner
Institut für Kernphysik
Tel: 069 798 47003
Doerner@atom.uni-frankfurt.de
Webpage zur Vorlesung:
http://rds1.atom.uni-frankfurt.de/web/lectures/vorlesung/doerner/
Physical Review Letters:
American Physical Society,
weekly, all of physics
http://prl.aps.org/
Physical Review A
http://prl.aps.org/
Journal of Physics B
http://www.iop.org/EJ/journal/JPhysB
Institut of Physics (englisch)
Vorlesungsreihe Atomphysik I&II
SS08/WS08-09
Reinhard Dörner
Institut für Kernphysik
Tel: 069 798 47003
Doerner@atom.uni-frankfurt.de
Webpage zur Vorlesung:
http://rds1.atom.uni-frankfurt.de/web/lectures/vorlesung/doerner/
Inhalt
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien,
Quantenradier
1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1.2.1.Elektronen
1.2.2.Atome, Moleküle
1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische
Emission
1.4. EPR-verschränkte Zustände
1.5. Quantenkryptographie
1.6. Beispiel H2
1.7. Lichtgitter
1.8. Kräfte: Dipolkraft, magnetisch
1.9. Atomspiegel
2.3. Atome in starken Laserfeldern
2.3.1.Multiphotonenionisation
2.3.2.Tunnelionisation
2.3.3.Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,
hochenergetische Elektronen, Doppelionisation
2.3.4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien
2.4. Ion-Atom Stöße
2.4.1.Elektronentransfer
2.4.2.Ionisation
2.4.3.Mehrelektronenprozesse
3. Laser-Plasma Wechselwirkung
4.1 Laser-Plasmen als kompakte Teilchen-Beschleuniger
(Elektronen, Ionen)
4.2 Anwendungen von Laser-Plasmen
4. Physik mit hochgeladenen Ionen
5.1 Wechselwirkung zwischen Ionen und Atomen, clustern, ...
5.2 Untersuchung von QED in hochgeladenen Ionen
5.3 ...
5. Basics von Atom- und Molekularstrahlen
2. Wechselwirkung mit Atomen
2.1. Photon-Atom Wechselwirkung
2.2. Photonenquellen: Laser, X-raylaser
2.2.1.Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt,
2.2.2.Winkel- und Energieverteilungen
2.2.3.Doppelanregung, Interferenzeffekte
2.2.4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und
Winkelverteilungen
2.2.5.Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse
5.1 Theoretische Aspekte
5.2 Grundlagen von Vakuumtechnik
5.3 Messmethoden
6. BEC:
6.3. Laserkühlung
6.4. MOT
6.5. BEC basics
6.6. BEC in anderen Systemen (Suprafluidität, Supraleitung)
1. Atome als quantenmechanische Teilchen
1.1. Wiederholung:
Welle Teilchen Dualismus
Doppelspalt
Feynman Lectures:
"We choose to examine a phenomenon which is impossible,
absolutely impossible,
to explain in any classical way,
and which has in it the heart of quantum mechanics.
In reality, it contains the only mystery."
Einzelphotonendetektor
Helligkeitschwankungen
Reduziere Intensität
auf einzelne Photonen/sec
http://www.quantum-physics.polytechnique.fr/en/index.html
Verbindung Teilchen-Welle:
Photonen: Photonendichte = Intensität/ (c h )
Ebene Welle: Elektrische Feldstärke  cos(/2 t)
Intensität  E2
Wahrscheinlichkeit für ein Photon zu finden
 Quadrat der Amplitude
•Welle: Superposition zweier kohärenter Kugelwellen
•Teilchen: Jedes Photon auf dem Schirm hat einen Ort/Zeit
(“Klick im Detektor”)
Lösung:
Statistische Interpretation der Quantenmechanik:
Quadrat der Wellenfunktion gibt die Wahrscheinlichkeit
1919-1921
Professor in Frankfurt
“Again an idea of Einstein’s gave me the lead.
He had tried to make the duality of particles light quanta or photons - and waves comprehensible by
interpreting the square of the optical wave amplitudes as
probability density for the occurrence of photons.
This concept could at once be carried over to the -function:
2 ought to represent the probability density for electrons
(or other particles).”
Max Born, Nobel Lecture
Deutung des Doppelspaltes I:
Wo ist das Teilchen?
Wellenfunktion
Kugelwellen
Darstellung einer Ebenen Welle im Ort
Realteil
Y(x) = eikx =i sin(x) + cos(x)
-> |Y(x)|2 = const. = 1
Imaginärteil
Alternative Darstellung:
Farbkodierung der komplexen Zahlen
|Y(x)|2 = const. = 1
Graphik aus: Bern Thaller Visual Quantum Mechanics
http://www.kfunigraz.ac.at/imawww/vqm/index.html
Visual Quantum Mechanics
Bernd Thaller
Springer, New York 2000
Web Page:
http://www.kfunigraz.ac.at/imawww/vqm/index.html
Aufbau eines Wellenpaketes
Y(x) =  eikx
d.h. die Phasengeschwindigkeit ist Energieabhängig -> Dispersion
Realteil
Real und Imaginaer
Gauss Wellenpaket
Ruhendes Teilchen
Bewegung
Doppelspalt:
Höhe: Wahrscheinlichkeit ein Teilchen dort zu finden
ORT: dargestellt
Gausssche Wellenpaket
Gaussverteilung im Ort Impuls
Ort x
Impuls: nicht zu sehen
x px  ħ
Impuls px
Doppelspalt:
ORT: dargestellt
Ort x
Impuls: in der
Wellenlänge
x px  ħ
Amplitude:Farbsättigung
http://www.kfunigraz.ac.at/imawww/vqm/german/wellen3.html
Impuls px
Deutung des Doppelspaltes I:
Wo ist das Teilchen?
Anfang:
Teilchen lokalisiert
Ende:
Delokalisiert
Keine Antwort auf
“Which Way”
Deutung des Doppelspaltes II:
Intensität  E2
Wahrscheinlichkeitsverteilung der Photonen
Fragen:
•Wenn nur 1 Teilchen unterwegs ist, was interferiert da?
•Zurückverfolgen der Photonen: durch welchen Schlitz?
•Wie kommen die Photonen in den Schatten?
•Impulserhaltung: wo kommt der Tranversalimpuls her?
Wenn man ein Photon in der Mitte registriert
Wo kam der Impuls her?
Kann man dann den Impuls des Spaltes messen um
den Weg des Photons zu erschließens?
Lange Debatte zwischen Bohr und Einstein