X. Inversní linie čpavku: Sláva a pád

KOTLÁŘSKÁ 30.DUBNA 2008

F4110 Kvantová fyzika atomárních soustav

letní semestr 2007 - 2008

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

Rovnovážná struktura molekul AB3

N

N

NH3

NNN

NNNNN

HH

H

PLANÁRNÍ PYRAMIDÁLNÍ

5

F

F

F

B

BF3

Rovnovážná struktura molekul AB3

N

N

NH3

NNN

NNNNN

HH

H

PLANÁRNÍ PYRAMIDÁLNÍ

OCCAMOVA BŘITVA

6

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

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

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

Fyzikální příčinyspontánního narušení symetrie

13

Východiskem je periodický systém

14

Elektronové konfigurace centrálního atomu

3 valenční el.

konfig. s2p1

bor

15

Elektronové konfigurace centrálního atomu

3 valenční el.

konfig. s2p1

5 valenčních el.

konfig. s2p3

bor

dusík

16

Starobylá úprava periodické tabulky

17

Starobylá úprava periodické tabulky

oxidy

18

Starobylá úprava periodické tabulky

oxidyhydridy

19

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

20

Levá polovina periody

sp3

sp2

sp

21

Pravá polovina periody

volný pár

22

Komplex NH3 BF3

Pyramidální molekula:geometrická struktura

24

25

26

b

h

a/2t/3

/2

v

27

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

28

Skutečný tvar molekuly NH3

38 pm

101 pm

29

Skutečný tvar molekuly NH3

38 pm

101 pm

snadno se prolomí

ohnutím vazeb

( „ deštníkový mód “ )

30

Skutečný tvar molekuly NH3

31

Skutečný tvar molekuly NH3

32

Skutečný tvar molekuly NH3

33

Skutečný tvar molekuly NH3

34

Skutečný tvar molekuly NH3

Pyramidální molekula:bodová symetrie

36

Bodové grupy symetrie molekul

37

Grupa symetrie amoniaku I: hlavní osa molekuly

38

Grupa symetrie amoniaku I: hlavní osa molekuly

C3

39

Grupa symetrie amoniaku II: další vícečetné osy

C3

40

Grupa symetrie amoniaku III: kolmé dvojčetné osy

C3

41

Grupa symetrie amoniaku IV: vertikální roviny zrcadlení

C3

v

42

Grupa symetrie amoniaku IV: vertikální roviny zrcadlení

C3

v v

v

C3v

Planární nebo bipyramidální molekula:bodová symetrie

44

Grupa symetrie BF3 I: hlavní osa

N

N

NH3

NNN

NNNNN

HH

H

45

Grupa symetrie BF3 I: hlavní osa

BF3

BB

BNNNF

46

Grupa symetrie BF3 I: hlavní osa

C3

47

Grupa symetrie BF3 II: další vícečetné osy

C3

48

Grupa symetrie BF3 II: kolmé dvojčetné osy

C3

49

Grupa symetrie BF3 III: kolmé dvojčetné osy

C3

50

Grupa symetrie BF3 IV: horizontální zrcadlová rovina

C3

C2

C2 C2h

51

Grupa symetrie BF3 V: celá grupa symetrie

C3

v v

v

D3h

C3

C2

C2 C2h

Pyramidální molekula:normální kmity

53

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

54

Normální kmity pyramidálních molekul typu amoniaku

symetrie A1, osová symetrie E, 2x degenerovaná

kmit 1

bond bending

kmit 3

bond stretching

kmit 2

nemá C2v , degenerace

kmit 4

obdobné

55

Normální kmity pyramidálních molekul typu amoniaku

symetrie A1, osová symetrie E, 2x degenerovaná

kmit 1

bond bending

kmit 3

bond stretching

kmit 2

nemá C2v , degenerace

kmit 4

obdobné

otočení o 120 o

56

Normální kmity pyramidálních molekul typu amoniaku

symetrie A1, osová symetrie E, 2x degenerovaná

kmit 1

bond bending

kmit 3

bond stretching

kmit 2

nemá C2v , degenerace

kmit 4

obdobné

otočení o 120 o

otočení o 240 o

lze složit z prvních dvou

57

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

58

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

59

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

61

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

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.

to dnes NE

U

x-h +h

D HE

0U

NYNÍ PROVEDEME

0E U

63

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

64

AsH3

Modelové potenciály pro amoniak a arsan

NH3

100.38 10 m

4.48

h

100.85 10 m

10.8

h

65

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

66

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

67

68

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

69

Hladiny energie v závislosti na h

bezrozměrná šířka bariéry

bezr

ozm

ěrná

ene

rgie

bezr

ozm

ěrná

výš

ka b

arié

ry

70

Vlnové funkce v závislosti na h

0 4

bezrozměrná šířka bariéry

bezr

ozm

ěrná

ene

rgie

71

Vlnové funkce v závislosti na h

0 4

bezrozměrná šířka bariéry

bezr

ozm

ěrná

ene

rgie

72

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

73

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

74

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

75

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

76

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

77

Dynamika dvouhladinového systému

Schrödingerova rovnice

Dvoustavový systém

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

78

Dynamika dvouhladinového systému

Stacionární stavy

´

ve shodě s modelovým výpočtem

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

79

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

80

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“

82

Oficiální zdůvodnění pro stavbu čpavkových hodin v NBS

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 measurments of the mean sidereal year might test whether Newtonian and atomic time are the same, yielding important results for

relativity theory and cosmology.

83

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.

84

Další vývoj (v NBS – NIST)

85

Další vývoj (v NBS – NIST)

Srovnatelné, nebo lepší výsledky

PTB Braunschweig, Německo

Laboratoire Primaire du Temps et des Frequences (LPTF)

Objev maseru

87

PREHISTORIE

• Začalo to Einsteinem. Ten zavedl (1916) představu stimulované emise:

• 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

88

První maser

PREHISTORIE

• Začalo to Einsteinem. Ten zavedl (1916) představu stimulované emise:

• Bilanční rovnice:

•

deexcitovaný systémfoton se pohltí

systém se excituje

excitovaný systémfoton se vyzáří

systém se deexcituje

,

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

89

První maser

PREHISTORIE

• 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

90

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

91

Čpavkový maser

92

Čpavkový maser

ZDROJ

dával směs excitovaných a deexcitovaných

molekul, zhruba se stejnou vahou

93

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

94

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

95

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

96

Townes a Gordon se svým maserem

97

Townes maser Gordon

NP 1964

98

Vznik slova “Maser”: až ve druhém sdělení

99

Co pozorovali

• zesílení mikrovlnného signálu

• 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

100

Další vývoj

I zde první 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