Powerpoint-Folien zur Vorlesung

1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed
Choice
1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1.2.1.
Elektronen
1.2.2.
Atome, Moleküle
1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission
1.4. Beispiel H2
1.5.
1.6.
Lichtgitter
Atomspiegel
Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“
Magnetisch: Stern-Gerlach
Spiegel
Ar*
2p8
Grund1s5
zustand
Laserkühlung:
Emission
Absorbtion
Energie h
Impulsübertrag
p=h/c
Impulsübertrag
p=h/c
Na Atome
= 589 nm,  v = ~ / mc = 3cm/s (Pro Photon!)
V= 1000m/sec auf v=0 3 104 Photonen
2 =32nsec (10-9sec) ! 1msec
a= 106m/sec2 (105 g!!!)
Dopplerverbreiterung:
Beispiel:
Na D Linie 500K
Dopplerbreite 100mal natürliche
Linienbreite
Et>~
Linie
Atom in
Ruhe
Thermische
Bewegung
Frequenz
Optische Molasse:
Atome werden nicht gefangen
(keine Ortsabhängige Kraft)
Atome mit v=0
keine Wechselwirkung
v -> Gegenkraft
Reibung (Sirup)
+ Ortsabhängiges
B-Feld
+ Zeemaneffekt
----------------------------MOT FALLE
Fazit:
Nicht nur Energie
auch Polarisation
muss stimmen
je na Richtung
des B Feldes
nur rechts zirkular!
m=-1 m=0 m=+1
Verwende B Feld / Zeemanaufspaltung
um Laserankopplung zu “schalten”
Magnetfeld
B=0 in der
Mitte
|B|
steigt in jede
Richtung
Antihelmholtzspulen
Magneto-Optical Trap
Magneto-Optical Trap
Fallentiefe: meV
E = kT = ½ mv2
schwere Atome sind langsam -> Fangen aus dem “Hintergrund”
leichte sind schnell -> erst abbremsen
Cooling and Trapping of He*
Kompression
Ablenkung (neutrales He*)
Falle
Abbremsen
Natrium-MOT
Cloud of cold Ca atoms
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice
1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1.2.1.
Elektronen
1.2.2.
Atome, Moleküle
1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission
1.4. Beispiel H2
1.5. Lichtgitter
1.6. Atomspiegel
1.7. Laserkühlung MOT
2. Wechselwirkung mit Atomen
2.1. Photon-Atom Wechselwirkung
Einschub:
Woher kommen Photonen?
2.1.1.
Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt,
2.1.2.
Winkel- und Energieverteilungen
2.1.3.
Doppelanregung, Interferenzeffekte
2.1.4.
Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und
Winkelverteilungen
2.1.5.
Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse
2.2. Atome in starken Laserfeldern
2.2.1.
Multiphotonenionisation
2.2.2.
Tunnelionisation
2.2.3.
Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,
hochenergetische Elektronen, Doppelionisation
2.2.4.
Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien
2.3. Ion-Atom Stöße
2.3.1.
Elektronentransfer
2.3.2.
Ionisation
2.3.3.
Mehrelektronenprozesse
Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)
Übergänge in Atomen/Molekülen/Festkörpern
Spontane Emission
Induzierte Emission (Laser)
höhere Harmonische
Kernübergänge
Vernichtungsstrahlung
Schwarzkörperstrahlung
Bremsstrahlung
Röntgenröhre
Synchrotron
FEL
Rayleigh, Jeans
Strahlungsgesetzt
Plancksches Strahlungsgesetz
ehv verhindert die
UV Katastrophe
Planck: fitted die Kurve
Später Ableitung
Harmonische Oszillatoren
(schwingende Ladungen)
Thermisch besetzter Oszillator
1/2kT kinetisch 1/2kT potentiell
Thermisches Gleichgewicht
Zwischen Absorbtion und
Emission
Plancks Annahme: harmonischer Oszillator kann nicht
kontinuierlich absorbieren, sonder nur E= nh  diskret
Fitkonstante h=Plancksches Wirkungsquantum=6.626 10-34Js
Energie
Klassisch:
kontinuierlich
Planck:
Diskret,
Abstand h 
Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)
Übergänge in Atomen/Molekülen/Festkörpern
Spontane Emission
Induzierte Emission (Laser)
Kernübergänge
Vernichtungsstrahlung
Schwarzkörperstrahlung
Bremsstrahlung
Röntgenröhre
Synchrotron
FEL
Röntgenstrahlung
W.C. Röntgen 8.November 1895
X-Strahlen
Hand von Frau Röntgen 22.Dez.1895
http://www.deutsches-museum.de/ausstell/meister/roent.htm
Elektronen
Röntgenstrahlung
Wechselwirkung der Elektronen
99% Wärme
1% Strahlung
Charakteristische Linien
Bremsstrahlung
22.3. Charakteristische Röntgensrahlung
Charakteristische
Röntgenstrahlung
Charakteristische
Röntgenstrahlung
Elektron
d Elektronen
Röntgenstpektrum freier
Xe Atome 12keV Elektronen
12keV
Charakteristische
Röntgenstrahlung
Elektron
d Elektronen
Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)
Übergänge in Atomen/Molekülen/Festkörpern
Spontane Emission
Induzierte Emission (Laser)
Kernübergänge
Vernichtungsstrahlung
Schwarzkörperstrahlung
Bremsstrahlung
Röntgenröhre
Synchrotron
FEL
Nachsehen
Beschleunigte
Ladung
Nichtrelativistisch:
Dipolemission
Relativistisch:
Vorwärtsbündelung
Beispiel:
E=800MeV
q = 0.64mrad
Eigenschaften des Photons
•Energie:
•Impuls
•Masse
•Ruhemasse
•Drehimpuls
zirkularpolarisiertes Licht
Photonendrehimpuls +- h
E=h
p=h/c
m=E/c2 = h /c2
m0=0
sph=h
linear polarisiertes Licht
Drehimpuls gleichwahrscheinlich
in oder gegen Ausbreitungsrichtung
Polarisation von Synchrotronstrahlung:
Hasylab Hamburg
ASTRID Aarhus
Machine
Radiation Characteristics
Bending Flux
Wh.-Book
Gr.-Book
E Critical
Photons / second
1E+14
800eV at 1.5 GeV
11keV at 4 GeV
1E+13
2 GeV
1GeV
1E+12
0.001
0.01
0.1
1
Energy [keV]
Flux of the synchrotron radiation from the bending magnets:
Version SES_1_1: Green book, 1GeV, 1.87 Tesla, 400 mA;
version SES_4_2: 2GeV, 1.35 Tesla, 400 mA
10
100
Bending magnet: weisses Licht
Wiggler: Weisses Licht, n*bending magnet
Undulator: Monochromatisches Licht,
Koherente Addition des Lichtes
eines jeden Elektrons
High brightness
Freie Elektronenlaser
FEL
Laser für Röntgenstrahlung
(Warum gibt es keine normalen Laser für Röntgenstrahlung?)
Bunching of the electrons creates coherent laser light
Keine Spiegel für Röntgenstrahlung!
Geht auch ohne Spiegel:
langer Undulator
SASE
Self Amplification of Spontanious Emission
Bending magnet: weisses Licht
Wiggler: Weisses Licht, n*bending magnet
Undulator: Monochromatisches Licht,
Koherente Addition des Lichtes
eines jeden Elektrons
FEL: Koheränz zwischen den einzelnen Elektronen
„Free electron“ light sources
Dipole magnet
Synchrotron radiation
Wiggler
Intensity (arb. units)
100
Wiggler
10
1
Dipole
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
y = E/Ec
10
14
Undulator
Intensity
~ Ne
1=u/2g2(1+K2/2)
FEL
spatially
coherent
~ Ne
2
10
12
10
10
10
8
10
6
10
4
Typical
pulse energy:
~1 mJ
96
98 100 102 104
Photon energy (eV)
Angle-integrated flux
VUV-FEL
FEL essentials
FEL
13
10
Photons
Photonen
100 fs
9
Undulator
Photons
10 Photonen
(x 10 6)
100 ps
time
make use of
• high peak intensity
• short pulse duration
Improved beam properties by seeding
Self-seeding
Spectrum before
-
after seeding
funded by the Hermann von HelmholtzGemeinschaft of German Research
Centers (HGF), in collaboration with
GKSS, Geesthacht, and ISA, Arhus
1012 Photonen in
100 fsec
Erste SASE Emission des TESLA FEL, Hamburg, Jan 2000
FLASH User Facility at DESY
Commissioning: 2004
User experiments: 2005
TESLA Test Facility
(TTF 1, 1995-2002)
FLASH
experimental hall
Photon energy
Bandwidth /
Peak power
Pulse duration
Pulses per second
~20-200 eV
~0.5 %
>1 GW
~100 fs
up to 72000
Multi-Photon Multi-Electron Processes in Atoms &
Molecules
Project leader: J. Ullrich, MPI Heidelberg; with Univ. Frankfurt, Fritz-Haber Institut Berlin, Univ. Hamburg
Reaction-Microscope
ion detector
Helmholtz coil
drift
FEL
gas jet
electron det.
E-field
supersonic gas jet
atoms, molecules
Detector
Spectrometer:
position-sensitive
ion-electron coincidence
multi-hit
FEL
meV resolution for ions
meV for electrons
• ultra high vacuum: p < 10-11 mbar
• cold target
: T < 1 Kelvin
• multi-hit detectors:  = 12 cm, t ~ 10 ns
Ziele: z.B. Röntgenbeugung an Einzelmolekülen
1012 Photonen in
100 fsec