Podstawy fizyki atomu

Przedmowa XXI

1. Wiadomości wstępne 1

1.1. Przedmiot fizyki atomu 1
1.2. Widma atomowe 3
1.2.1. Charakterystyczne wielkości promieniowania atomowego 4
A. Równanie fali elektromagnetycznej 4
B. Długość fali – jednostki 5
C. Częstość i liczba falowa – jednostki 6
D. Energia – jednostki 7
1.2.2. Rejestracja widm 10
1.3. Widma emisyjne 12
1.3.1. Widma liniowe, pasmowe i ciągłe – uwagi ogólne 12
A. Widma liniowe 12
B. Widma pasmowe 14
C. Widma ciągłe 15
1.3.2. Widma ciągłe – przykłady 15
A. Promieniowanie ciała doskonale czarnego; wzór Plancka 15
B. Promieniowanie termiczne i luminescencyjne 17
C. Ciągłe promieniowanie optyczne 19
D. Ciągłe promieniowanie rentgenowskie 19
E. Promieniowanie synchrotronowe 21
1.3.3. Widma absorpcyjne 23
1.4. Początki spektroskopii atomowej 24
1.4.1. Pierwsze pomiary spektroskopowe 24
A. Linie Fraunhofera 24
B. Rozwój techniki pomiarowej 25
1.4.2. Pierwsze poszukiwania prawidłowości w widmach atomowych 26
1.5. Serie widmowe 26
1.5.1. Odkrycie Balmera 27
1.5.2. Termy. Zasada kombinacji Ritza 27
1.5.3. Serie wodorowe 28

2. Stara teoria kwantów. Atom wodoru 30

2.1. Bohra teoria atomu wodoru 30
2.1.1. Prosty oscylator harmoniczny Plancka 30
2.1.2. Pierwsze modele atomu 33
A. Model Thomsona 33
B. Model Rutherforda 33
2.1.3. Postulaty kwantowe Bohra 34
2.1.4. Wyprowadzenie wzoru Rydberga 35
A. Energia stanu stacjonarnego 35
B. Przejścia promieniste w atomie 37
C. Stała Rydberga dla jądra nieruchomego 38
D. Termy 39
2.2. Graficzna ilustracja atomowych stanów energetycznych 39
2.2.1. Kołowe orbity elektronowe w atomie wodoru 40
2.2.2. Schemat poziomów energetycznych 40
2.2.3. Stany nieskwantowane i widmo ciągłe atomów 42
2.3. Widma jonów wodoropodobnych 43
2.3.1. Serie widmowe jonów wodoropodobnych 43
A. Spektroskopowe oznaczanie widm jonów 43
B. Seria Pickeringa 43
C. Widma jonów wodoropodobnych w teorii Bohra 44
D. Ciężkie jony wodoropodobne 45
2.3.2. Wpływ masy jądra na poziomy energetyczne atomów 46
A. Masa zredukowana 46
B. Izotopowy efekt masy 48
C. Stała Rydberga atomu wodoru i jonów wodoropodobnych 49
2.4. Doświadczalny dowód istnienia skwantowanych stanów energetycznych w atomach 49
2.4.1. Zderzenia pierwszego i drugiego rodzaju 50
A. Zderzenia pierwszego rodzaju 50
B. Zderzenia drugiego rodzaju 50
C. Zderzenia pierwszego i drugiego rodzaju w fizyce atomowej 50
2.4.2. Doświadczenie Francka–Hertza 51
2.5. Rozszerzenie teorii Bohra przez Sommerfelda 52
2.5.1. Uogólnione warunki kwantowe Sommerfelda 53
2.5.2. Orbity eliptyczne Sommerfelda 54
2.5.3. Energia elektronu na torze eliptycznym 55
A. Niezależność energii elektronu od kształtu elipsy 55
B. Interpretacja liczb kwantowych n i k 55
2.5.4. Subtelna struktura w widmie atomu wodoru według Sommerfelda 56
A. Relatywistyczne rozszczepienie poziomów energetycznych w teorii Sommerfelda 56
B. Stała struktury subtelnej 57
C. Reguła wyboru dla azymutalnej liczby kwantowej 59
2.6. Zasada odpowiedniości 61
2.6.1. Nieciągłość wartości wielkości fizycznych w mikro- i makroświecie 61
A. Moment pędu 61
B. Częstość promieniowania atomu 62
2.6.2. Sformułowanie zasady odpowiedniości 62
2.7. Wady i zalety starej teorii kwantów 63
2.7.1. Wady starej teorii kwantów 63
2.7.2. Zakres stosowalności starej teorii kwantów 64
2.7.3. Zalety starej teorii kwantów 64

3. Odkrycie mechaniki kwantowej 65

3. Odkrycie mechaniki kwantowej 65
3.1. Wprowadzenie 65
3.1.1. Teorie kwantowe Heisenberga i Schrödingera 65
3.1.2. Obecny status mechaniki kwantowej 66
3.1.3. Mechanika kwantowa w niniejszym podręczniku 67
3.2. Dualizm falowo-korpuskularny 67
3.2.1. Falowa natura promieniowania elektromagnetycznego 68
A. Interferencja 68
B. Interferometr Fabry’ego–Pérota 70
C. Dyfrakcja na wąskiej szczelinie 79
D. Doświadczenie Younga z dwiema szczelinami 80
E. Siatka dyfrakcyjna 81
3.2.2. Falowa natura promieniowania rentgenowskiego 85
A. Podstawy teoretycznej analizy dyfraktogramów rentgenowskich 85
B. Metody otrzymywania dyfraktogramów rentgenowskich 86
C. Bezwzględny pomiar długości fali promieniowania rentgenowskiego 88
3.2.3. Korpuskularna natura promieniowania 88
A. Zjawisko fotoelektryczne 88
B. Zjawisko Comptona 90
3.2.4. Hipoteza de Broglie’a. Fale materii 93
3.2.5. Doświadczalne dowody falowych własności materii 94
3.2.6. Dualizm falowo-korpuskularny – podsumowanie wyników doświadczalnych 96
3.3. Równanie Schrödingera 97
3.3.1. „Wyprowadzenie” równania Schrödingera 98
A. Cząstka swobodna, ruch jednowymiarowy 98
B. Cząstka swobodna, ruch trójwymiarowy 99
C. Cząstka w potencjalnym polu sił 100
3.3.2. Uwagi o równaniu Schrödingera zależnym od czasu 100
A. Separacja zmiennych przestrzennych i czasowych 100
B. Czasowe równanie Schrödingera 101
C. Równanie Schrödingera niezależne od czasu 101
D. Ewolucja funkcji stanu w czasie 102
3.3.3. Równanie Schrödingera jako równanie na wartości własne 102
A. Wprowadzenie 102
B. Zagadnienia własne w fizyce klasycznej 102
C. Ogólne własności równań własnych 103
D. Operatorowa postać równań Schrödingera 104
3.3.4. Operatory składowych pędu i współrzędnych położenia 104
A. Tworzenie operatorów w mechanice kwantowej 104
B. Operatory składowych pędu 105
C. Operatory współrzędnych położenia 105

4. Podstawowe pojęcia mechaniki kwantowej 106

4.1. Formalne przejście od mechaniki klasycznej do kwantowej 106
4.2. Fizyczna interpretacja mechaniki kwantowej 106
4.2.1. Fizyczne znaczenie wartości własnych 107
A. Operatory wielkości fizycznych 107
B. Algebra operatorów hermitowskich; komutatory 109
4.2.2. Ogólne własności funkcji falowych 113
A. Probabilistyczna interpretacja funkcji falowej 113
B. Normalizacja funkcji falowej 115
C. Funkcje falowe ortogonalne i ortonormalne 116
D. Własności funkcji własnych 116
4.2.3. Wartości oczekiwane 119
A. Wartości oczekiwane w fizyce klasycznej 119
B. Wartości oczekiwane w mechanice kwantowej 120
C. Obliczanie wartości oczekiwanych 121
D. Twierdzenie Ehrenfesta 123
E. Stałe ruchu i prawa zachowania 125
4.2.4. Zasada nieokreśloności Heisenberga 125
A. Sformułowanie zasady nieokreśloności Heisenberga 125
B. Wyprowadzenie zasady nieokreśloności Heisenberga 126
C. Fale monochromatyczne i pakiety fal materii 130
D. Doświadczenie z podwójną szczeliną 135
E. Zasada nieokreśloności w mikro- i makrofizyce 136
F. Uwagi końcowe 137
4.3. Mechanika kwantowa w notacji Diraca 138
4.3.1. Przestrzeń wektorowa 138
4.3.2. Przestrzeń Hilberta 139
4.3.3. Notacja Diraca 141
A. Symbole ket i bra 141
B. Operatory 142
C. Wektory własne i reprezentacje 143
4.3.4. Macierzowa reprezentacja mechaniki kwantowej 146
A. Elementy macierzowe 146
B. Macierze hermitowskie 146
C. Macierze diagonalne 147
D. Macierze niediagonalne 147
E. Macierzowy zapis iloczynu skalarnego 148

5. Atom wodoru w mechanice kwantowej 149

5.1. Przykłady stosowania metod rachunkowych mechaniki kwantowej 149
5.1.1. Zagadnienie własne energii cząstki swobodnej 149
5.1.2. Zagadnienie własne składowej momentu pędu 150
A. Wartości własne operatora składowej momentu pędu 150
B. Funkcje własne operatora składowej momentu pędu 151
5.1.3. Zagadnienie własne kwadratu momentu pędu 152
A. Wartości własne operatora kwadratu momentu pędu 152
B. Funkcje własne operatora kwadratu momentu pędu 154
5.1.4. Zagadnienie własne energii atomu wodoru 155
A. Energia całkowita układu dwu cząstek 155
B. Wartości własne operatora energii atomu wodoru 157
C. Funkcje własne operatora energii atomu wodoru 159
D. Symbolika stanów kwantowych elektronu 161
5.2. Kwantowomechaniczny obraz atomu wodoru 161
5.2.1. Unormowana pełna funkcja własna operatora energii 161
5.2.2. Zależność φ*φ od kąta ϕ 163
5.2.3. Zależność Θ*Θ od kąta ϑ 163
5.2.4. Zależność R*R od promienia r 164
5.2.5. Ogólny przebieg funkcji Ψ*Ψ 166
5.3. Orbitalny moment magnetyczny elektronu 167
5.3.1. Orbitalny moment magnetyczny elektronu według fizyki klasycznej 167
5.3.2. Orbitalny moment magnetyczny elektronu w mechanice kwantowej 168
5.3.3. Stosunek giromagnetyczny dla orbitalnego ruchu elektronu 169
5.4. Wektorowy model atomu i kwantowanie kierunkowe wektora momentu pędu 169
5.4.1. Precesja Larmora 169
5.4.2. Wektor momentu pędu w modelu wektorowym 171
5.4.3. Kwantowanie kierunkowe wektora orbitalnego momentu pędu 171
5.5. Spin i spinowy moment magnetyczny elektronu 172
5.5.1. Liczby kwantowe spinu elektronu 173
5.5.2. Spinowy moment magnetyczny elektronu 174
A. Związek spinowego momentu magnetycznego ze spinem 174
B. Kwantowanie kierunkowe wektora spinu 175
C. Spinowy stosunek giromagnetyczny 175
5.5.3. Elektronowy czynnik g_e 176
A. Definicja czynnika g_e 176
B. Czynnik g_e – konfrontacja teorii i doświadczenia 177
5.5.4. Funkcje falowe elektronu z uwzględnieniem spinu. Operatory spinu 180
A. Schrödingerowskie funkcje falowe ze spinem 180
B. Równanie własne operatora spinu 180
C. Relacje komutacyjne dla spinu 181
D. Macierze spinowe Pauliego; spinory 182
E. Spin a fizyka relatywistyczna 185

6. Systematyka poziomów energetycznych atomów wieloelektronowych 187

6.1. Problem atomu wieloelektronowego w mechanice kwantowej 187
6.1.1. Rachunek zaburzeń 188
6.1.2. Przybliżenie pola centralnego 190
6.2. Równanie Schrödingera w przybliżeniu pola centralnego 192
6.2.1. Przybliżenie jednoelektronowe 192
6.2.2. Systematyka kwantowych stanów elektronowych w polu centralnym 193
6.2.3. Konfiguracja elektronowa 194
6.2.4. Samouzgodnione pole Hartree’ego 195
6.3. Dodawanie momentów pędu w mechanice kwantowej 196
6.3.1. Wypadkowy orbitalny moment pędu atomu wieloelektronowego 196
6.3.2. Wypadkowy spin atomu wieloelektronowego 198
6.3.3. Dodawanie momentów pędu według modelu wektorowego 199
6.4. Całkowity moment pędu powłoki elektronowej atomu 200
6.4.1. Całkowity moment pędu powłoki atomu jednoelektronowego 200
6.4.2. Całkowity moment pędu powłoki elektronowej atomu o wielu elektronach 201
A. Sprzężenie L-S (sprzężenie Russela–Saundersa) 201
B. Sprzężenie j-j 201
C. Liczba wartości liczby kwantowej J w sprzężeniu L-S i j-j 202
6.4.3. Stosunki energetyczne w przybliżeniu sprzężeń L-S i j-j 203
A. Niecentralna część oddziaływania kulombowskiego i oddziaływanie spin-orbita 203
B. Przybliżenie sprzężenia L-S i j-j 205
6.5. Cechy charakterystyczne przybliżenia sprzężenia L-S 206
6.5.1. Termy LS i struktura p rosta p oziomów e nergetycznych w schemacie L-S 207
A. Symbole literowe termów LS 207
B. Krotność termów LS 207
C. Przykłady znajdowania symboli termów LS 208
6.5.2. Subtelna struktura termów LS i poziomy LSJ 209
A. Oddziaływanie spin-orbita w przybliżeniu wiązania L-S 209
B. Poprawka do energii wynikająca z oddziaływania spin-orbita 209
C. Przykłady znajdowania symboli poziomów LSJ 210
D. Multiplety struktury subtelnej 210
6.5.3. Względne położenia poziomów energetycznych w sprzężeniu L-S 211
A. Reguła Hunda 211
B. Reguła odległościowa (interwałów) 212
C. Waga statystyczna poziomu energetycznego 213
D. Środek ciężkości multipletu 213
E. Multiplety regularne i odwrócone 214
F. Struktura subtelna termów na przykładzie konfiguracji nsnp 214
6.6. Cechy charakterystyczne przybliżenia sprzężenia j-j 214
6.6.1. Termy jj i struktura prosta poziomów energetycznych w schemacie j-j 214
6.6.2. Struktura subtelna termów jj; poziomy jjJ 216
6.6.3. Występowanie wiązania j-j w strukturach atomowych 217
6.7. Sprzężenie L-S i j-j w modelu wektorowym 218
6.8. Magnetyczny moment powłoki elektronowej związany z jej całkowitym momentem pędu 219
6.8.1. Atom jednoelektronowy: związek między wektorami μ oraz j 219
6.8.2. Atom wieloelektronowy: związek między wektorami μ i J w sprzężeniu L-S 221
6.8.3. Atom wieloelektronowy: związek między wektorami μ i J w sprzężeniu j-j 223
6.9. Reprezentacje atomowych stanów kwantowych 224
6.9.1. Reprezentacje kwantowych stanów elektronów atomowych 224
6.9.2. Reprezentacje kwantowych stanów układów wieloelektronowych 225

7. Zasada Pauliego. Okresowy układ pierwiastków 227

7.1. Zasada wykluczenia Pauliego 227
7.1.1. Zasada wykluczenia w sformułowaniu Pauliego 227
7.1.2. Własności zespołów identycznych cząstek elementarnych 228
A. Zasada nierozróżnialności cząstek elementarnych 228
B. Symetria operatorów obserwabli względem przestawiania cząstek 228
C. Zwyrodnienie wymienne 228
D. Status symetryczności funkcji falowych względem przestawiania cząstek 230
E. Zasada zachowania statusu symetryczności funkcji falowej 230
F. Funkcje falowe układów elektronowych 231
G. Niemieszanie się stanów o różnym statusie symetryczności 232
H. Fermiony i bozony 233
7.1.3. Kwantowomechaniczne sformułowanie zasady wykluczenia Pauliego 234
7.1.4. Samouzgodnione pole Hartree’ego–Focka 234
7.2. Konsekwencje zasady Pauliego dla struktury atomów 236
7.2.1. Powłokowa struktura atomów 236
A. Maksymalne liczby elektronów równoważnych 236
B. Stan podstawowy atomu 237
C. Zamknięte powłoki nl 238
7.2.2. Termy elektronów równoważnych 238
A. Termy elektronów równoważnych a zasada Pauliego 238
B. Ogólna metoda znajdowania termów elektronów równoważnych 239
C. Multiplety normalne i odwrócone a liczba elektronów w powłoce nl 241
7.2.3. Zależność energii oddziaływania elektrostatycznego od liczb kwantowych L i S 242
A. Antysymetryczne funkcje falowe elektronów atomu helu 242
B. Stany singletowe i trypletowe atomu helu 244
C. Poprawki pierwszego rzędu do energii stanów kwantowych atomu helu 244
7.3. Okresowy układ pierwiastków 246
7.3.1. Ogólna budowa okresowego układu pierwiastków 247
A. Cechy charakterystyczne okresowego układu pierwiastków 247
B. „Idealna” a rzeczywista struktura układu okresowego pierwiastków 253
C. Gazy szlachetne i alkalia 254
7.3.2. Szczegółowa struktura okresowego układu pierwiastków 256
A. Okres pierwszy: _{1H i _{2He 256
B. Okres drugi: ₃Li – ₁₀Ne 257
C. Okres trzeci: ₁₁Na – ₁₈Ar 258
D. Okres czwarty: ₁₉K – ₃₆Kr 259
E. Okres piąty: ₃₇Rb – ₅₄Xe 259
F. Okres szósty: ₅₅Cs – ₈₆Rn 260
G. Okres siódmy: ₈₇Fr – ²⁹⁴118 260
7.3.3. Pierwiastki promieniotwórcze 261
A. Czasy życia pierwiastków promieniotwórczych 261
B. Naturalne pierwiastki promieniotwórcze 261
C. Pierwiastki wytwarzane sztucznie. Transuranowce 262
D. Pierwiastki transfermowe 263
7.4. Energetyczna kolejność wewnętrznych powłok elektronowych w atomach 266
7.5. Kwantowomechaniczny obraz atomu o wielu elektronach 268

8. Zarys teorii promieniowania 270

8.1. Wprowadzenie 270
8.2. Promieniowanie elektryczne dipolowe 270
8.2.1. Promieniowanie klasycznego dipola elektrycznego 270
8.2.2. Elektryczno-dipolowe promieniowanie atomu według mechaniki kwantowej 272
A. Elektryczny moment dipolowy atomu w mechanice kwantowej 272
B. Status elektrycznego dipolowego momentu atomu w czasie 273
C. Moc linii widmowej 274
D. Siła linii widmowej 275
E. Względne natężenia linii widmowych 276
8.2.3. Współczynniki Einsteina określające prawdopodobieństwa przejść 278
8.2.4. Siła oscylatora 281
A. Sens fizyczny siły oscylatora 281
B. Zespolony współczynnik załamania 282
C. Związek siły oscylatora ze współczynnikiem Einsteina dla absorpcji 286
D. Reguły sum dla sił oscylatorów 287
8.3. Promieniowanie multipolowe 288
8.3.1. Retardacja fali elektromagnetycznej 288
8.3.2. Elektryczne i magnetyczne układy multipolowe 290
A. Statyczne multipole elektryczne 290
B. Statyczne multipole magnetyczne 291
C. Polowość i promieniowanie multipoli 292
8.3.3. Multipolowe promieniowanie atomów 292
A. Przybliżenie elektryczno-dipolowe 292
B. Dalsze wyrazy rozwinięcia multipolowego 293
C. Promieniowanie M1 i E2 293
8.4. Reguły wyboru 297
8.4.1. Reguły wyboru w starej i nowej teorii kwantowej 297
8.4.2. Reguły wyboru związane z prawem zachowania momentu pędu 298
A. Reguły wyboru dla liczb kwantowych całkowitego momentu pędu 298
B. Reguły wyboru dla kwantowej liczby orbitalnej l 301
C. Reguły wyboru o wąskim zakresie działania 301
D. Polaryzacyjne reguły wyboru 302
8.4.3. Reguły wyboru związane z parzystością funkcji falowych 302
A. Parzystość funkcji falowych 302
B. Reguła Laporte’a 304
8.4.4. Zestawienie reguł wyboru dla promieniowania E1, M1 i E2 306
8.5. Szerokość linii widmowych 308
8.5.1. Naturalna szerokość linii widmowej 308
A. Naturalna szerokość linii widmowej według elektrodynamiki klasycznej 308
B. Naturalna szerokość linii widmowej w mechanice kwantowej;czas życia stanów kwantowych 311
C. Naturalna szerokość linii a prawdopodobieństwa przejść 312
D. Stany metatrwałe 313
E. Autojonizacja 314
8.5.2. Wpływ czynników zewnętrznych na szerokość linii widmowej 315
A. Poszerzenie dopplerowskie 315
B. Poszerzenie ciśnieniowe 320
C. Poszerzenie starkowskie 320
D. Poszerzenie zderzeniowe (ze ściankami źródła) 321
E. Poszerzenie związane z czasem przelotu 321

9. Ogólna struktura optycznych widm atomowych 322

9.1. Serie widmowe atomów i jonów o konfiguracji podstawowej ns 322
9.1.1. Fenomenologiczny opis widmowych serii alkaliów 322
A. Geneza symboliki termów LS 322
B. Defekt kwantowy 324
9.1.2. Modelowe objaśnienie widmowych serii alkaliów 325
A. Rola zamkniętych powłok elektronowych w alkaliach 325
B. Orbity zanurzające się 326
C. Orbity niezanurzające się 328
9.1.3. Serie widmowe atomów o konfiguracji podstawowej ns w mechanice kwantowej 328
9.1.4. Widma jonów alkalipodobnych 333
9.1.5. Efektywny ładunek jądra 333
9.1.6. Szeregi izoelektronowe; diagramy Bohra–Costera (Moseleya) 334
9.2. Serie widmowe atomów i jonów o konfiguracjach podstawowych innych niż ns 335
9.2.1. Serie widmowe atomów i jonów o konfiguracji podstawowej ns² 336
9.2.2. Serie widmowe pierwiastków trzeciej i dalszych kolumn układu okresowego 340
9.3. Subtelna struktura w widmach atomów wieloelektronowych 342
9.3.1. Multiplety sprzężenia L-S 342
A. Multiplet jako zbiór linii widmowych 342
B. Multiplety proste 343
C. Multiplety złożone 343
9.3.2. Subtelna struktura serii widmowych atomów wieloelektronowych w sprzężeniu L-S 344
9.3.3. Stosunki sił linii widmowych i ich natężeń wewnątrz multipletów LS 346
A. Reguła sum dla sił linii widmowych 346
B. Względne natężenia linii widmowych a reguła sum 348
9.3.4. Subtelna struktura linii widmowych w sprzężeniu j-j i pośrednim 350
9.4. Subtelna struktura w widmie atomu wodoru 351
9.4.1. Subtelna struktura linii wodorowych według mechaniki kwantowej 351
9.4.2. Przesunięcie Lamba 356
A. Odkrycie i pomiary klasycznego przesunięcia Lamba w wodorze 356
B. Teoretyczne wyjaśnienie przesunięcia Lamba 358
C. Przesunięcie Lamba podstawowego stanu atomu wodoru 359
D. Przesunięcie Lamba w jonach wodoropodobnych 360
9.5. Optyczne przejścia wzbronione 361
9.5.1. Przejścia wzbronione a stany metatrwałe 361
9.5.2. Obserwacje spontanicznego promieniowania M1 i E2 w widmach optycznych 362
A. Linie wzbronione w badaniach astrofizycznych 362
B. Wzbronione linie widmowe w badaniach laboratoryjnych 363
9.5.3. Optyczne przejścia wymuszone 363

10. Struktura liniowych widm rentgenowskich 365

10.1. Wprowadzenie 365
10.1.1. Powstawanie liniowego widma rentgenowskiego 365
10.1.2. Ogólna charakterystyka liniowego widma promieni Röntgena 365
A. Symbolika widm rentgenowskich 365
B. Struktura widm rentgenowskich w porównaniu z optycznymi 366
10.2. Prawo Moseleya dla widm rentgenowskich 367
10.2.1. Sformułowanie i znaczenie prawa Moseleya 367
10.2.2. Termy rentgenowskie; diagramy Bohra–Costera 369
10.3. Prosta i subtelna struktura widm rentgenowskich 371
10.3.1. Prosta i subtelna struktura termów rentgenowskich 371
10.3.2. Atomowe przejścia rentgenowskie 372
10.4. Schematy rentgenowskich poziomów energetycznych 373
10.4.1. Porównanie optycznych i rentgenowskich poziomów energetycznych 373
10.4.2. Schematy rentgenowskich poziomów energii wzbudzenia atomu 374
10.4.3. Schematy rentgenowskich poziomów energii wiązania atomu 376
10.5. Atomowa absorpcja promieniowania rentgenowskiego 378
10.5.1. Rentgenowskie widma absorpcyjne 378
A. Powstawanie i struktura widm absorpcyjnych 378
B. Spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich 379
10.5.2. Elektrony Augera 380
10.6. Rentgenowskie promieniowanie atomów egzotycznych 381
10.6.1. Ogólne cechy atomów egzotycznych 383
10.6.2. Atomy mionowe 386
10.6.3. Atomy hadronowe 388

11. Wpływ jądra na strukturę widm atomowych 390

11.1. Wprowadzenie 390
11.2. Nadsubtelna struktura linii widmowych 391
11.2.1. Multipole jądrowe 391
11.2.2. Spin jądra i moment pędu całego atomu 392
11.2.3. Magnetyczny moment dipolowy jądra 394
11.2.4. Magnetyczne oddziaływanie jądra z powłoką elektronową 395
A. Stała struktury nadsubtelnej 395
B. Hipermultiplet jako zbiór podpoziomów struktury nadsubtelnej 397
C. Hipermultiplet jako zbiór linii widmowych 398
11.2.5. Wyznaczanie spinu i magnetycznego momentu jądra ze struktury nadsubtelnej 398
A. Metody wyznaczania spinu jądra z nadsubtelnej struktury linii widmowych 398
B. Przykłady wyznaczania spinu jądra z nadsubtelnej struktury linii widmowych 399
C. Wyznaczenie magnetycznych dipolowych momentów jąder ze struktury nadsubtelnej 401
11.2.6. Wpływ elektrycznego kwadrupolowego momentu jądra na strukturę nadsubtelną 401
11.2.7. Wpływ momentów jądrowych M3 i E4 na strukturę nadsubtelną 404
11.3. Efekt izotopowy w optycznych widmach atomowych 405
11.3.1. Ogólna charakterystyka atomowego efektu izotopowego 405
11.3.2. Izotopowe efekty masowe 407
A. Normalny efekt masy w atomach jednoelektronowych 407
B. Efekty masowe w atomach wieloelektronowych. Specyficzny efekt masy 408
11.3.3. Izotopowe efekty pola 413
A. Izotopowy efekt objętościowy 413
B. Izotopowy efekt kształtu 416
11.3.4. Wykres Kinga 417
11.3.5. Separacja efektów masowych i polowych 420
A. Separacja efektów masowych i polowych w widmach optycznych 420
B. Separacja efektów masowych i polowych w widmach rentgenowskich 420
11.4. Egzotyczne atomy dwucząstkowe 422
11.4.1. Mionium 422
11.4.2. Pozytonium 424

12. Atom w polu magnetycznym 429

12.1. Ogólna charakterystyka efektu Zeemana 429
12.1.1. Efekt Zeemana w fizyce klasycznej i kwantowej 429
12.1.2. Szczególne przypadki efektu Zeemana 430
12.2. Normalny efekt Zeemana 431
12.2.1. Zeemanowskie rozszczepienie poziomów singletowych 431
12.2.2. Zeemanowskie rozszczepienie linii singletowych; normalny tryplet Lorentza 432
12.3. Anomalny efekt Zeemana 434
12.3.1. Rozszczepienie poziomów energetycznych w anomalnym efekcie Zeemana 434
12.3.2. Rozszczepienie linii widmowych w anomalnym efekcie Zeemana 435
12.4. Efekt Paschena–Backa 438
12.4.1. Normalny tryplet Lorentza w efekcie Paschena–Backa 439
12.4.2. Struktura subtelna efektu Paschena–Backa 440
12.4.3. Rozszczepienie linii widmowych w efekcie Paschena–Backa 440
12.5. Efekt Zeemana w przypadku pól pośrednich 443
12.6. Efekt Zeemana struktury nadsubtelnej 444
12.6.1. Efekt Zeemana struktury nadsubtelnej: słabe pole magnetyczne 444
12.6.2. Efekt Backa–Goudsmita: silne pole magnetyczne (efekt Zeemana struktury nadsubtelnej) 445
12.7. Efekt Zeemana linii wzbronionych 448
12.7.1. Reguły polaryzacyjne dla promieniowania E1, M1 i E2 448
12.7.2. Reguły polaryzacyjne a identyfikacja przejść wzbronionych 449
12.8. Doświadczenie Sterna–Gerlacha 450
12.8.1. Przebieg doświadczenia Sterna–Gerlacha 450
12.8.2. Interpretacja doświadczenia Sterna–Gerlacha 451
12.9. Metody rezonansowe w fizyce atomu 452
12.9.1. Rezonans magnetyczny 453
A. Rezonans magnetyczny w obrazie klasycznym 453
B. Rezonans magnetyczny w obrazie kwantowym 455
C. Zastosowania rezonansu magnetycznego 455
12.9.2. Podwójny rezonans optyczny. Pompowanie optyczne 456
A. Podwójny rezonans w badaniach atomowych stanów wzbudzonych 456
B. Podwójny rezonans w badaniach atomowych stanów podstawowych. Pompowanie optyczne 458
12.9.3. Rezonans magnetyczny w wiązce atomowej 461
A. Rezonansowa metoda Rabiego 461
B. Metoda Ramseya rozdzielonych pól zmiennych 463
C. Atomowy zegar cezowy 465

13. Atom w polu elektrycznym 468

13.1. Odkrycie efektu Starka 468
13.2. Ogólna charakterystyka efektu Starka 469
13.2.1. Degeneracja stanów kwantowych w efekcie Starka 470
13.2.2. Reguły polaryzacyjne w efekcie Starka 470
13.2.3. Zależność rozszczepienia starkowskiego od głównej liczby kwantowej 471
13.2.4. Ogólna teoria efektu Starka 471
13.2.5. Indukowany elektryczny moment dipolowy atomu 474
13.3. Efekt Starka w wodorze i jonach wodoropodobnych 474
13.3.1. Silne pole elektryczne 475
A. Rozszczepienia starkowskie w silnym polu elektrycznym 475
B. Liniowy efekt Starka 476
13.3.2. Bardzo silne pole elektryczne 479
A. Kwadratowy efekt Starka 479
B. Jonizacja polowa i autojonizacja poprzez zjawisko tunelowe 480
13.3.3. Słabe pole elektryczne 482
13.3.4. Bardzo słabe pole elektryczne 483
13.4. Efekt Starka w atomach wieloelektronowych 484
13.4.1. Słabe pole elektryczne 485
13.4.2. Silne pole elektryczne 486
13.4.3. Bardzo silne pole elektryczne 487

14. Atomowa spektroskopia laserowa 488

14.1. Fizyczne podstawy działania laserów 488
14.1.1. Odkrycie laserów 488
14.1.2. Ogólne warunki wywołania akcji laserowej 489
A. Promieniowanie wymuszone 489
B. Absorpcja i spontaniczna emisja promieniowania 489
C. Podstawowe elementy lasera 490
14.1.3. Laser helowo-neonowy 490
A. Inwersja populacji poziomów energetycznych 490
B. Rezonator optyczny; modowa struktura promieniowania laserowego 491
14.1.4. Promieniowanie laserowe 495
A. Cechy charakterystyczne promieniowania laserowego 495
B. Spójność 495
C. Monochromatyczność 497
D. Ukierunkowanie 499
E. Gęstość mocy 499
F. Statystyczne własności promieniowania 500
14.2. Atomowa spektroskopia laserowa; optyka nieliniowa 503
14.2.1. Bezdopplerowska spektroskopia nasyceniowa 503
A. Zjawisko nasycenia i współczynnik absorpcji 503
B. Dziura Bennetta i dip Lamba 506
C. Dip Lamba rejestrowany przeciwbieżną wiązką sondującą 508
D. Pik Lamba, czyli odwrócony dip Lamba 509
14.2.2. Spektroskopia wielofotonowa 511
A. Wprowadzenie 511
B. Podwajanie częstości fali elektromagnetycznej 512
C. Wzbudzenie wielofotonowe 513
D. Bezdopplerowska spektroskopia dwufotonowa 514
E. Optyczny grzebień częstości 516
F. Pomiar przejścia 1S–2S w wodorze 520
14.3. Atomy rydbergowskie 522
14.3.1. Ogólne własności atomów rydbergowskich 523
14.3.2. Wytwarzanie i detekcja stanów rydbergowskich 525
14.3.3. Atomy rydbergowskie w stanach kołowych 525

15. Fizyka zimnych atomów 528

15.1. Wprowadzenie 528
15.2. Chłodzenie laserowe 529
15.2.1. Dwa rodzaje chłodzenia laserowego 530
A. Chłodzenie dopplerowskie 530
B. Chłodzenie spowodowane odrzutem atomu 532
C. Względna wielkość obu rodzajów chłodzenia 533
15.2.2. Melasa optyczna 534
15.3. Pułapki jonowe 535
15.3.1. Elektrostatyczne pole pułapek jonowych 535
15.3.2. Pułapka Penninga 537
15.3.3. Elektromagnetyczna pułapka Paula 537
15.3.4. Zastosowanie pułapek jonowych 538
15.4. Pułapkowanie atomów obojętnych 539
15.4.1. Pułapki magnetyczne 539
15.4.2. Pułapki optyczne 543
15.4.3. Pułapka magnetooptyczna – PMO 546
15.5. Atomowe gazy kwantowe 548
15.5.1. Kwantowa degeneracja gazów atomowych 548
15.5.2. Kondensacja Bosego–Einsteina 550
A. Historia odkrycia kondensacji BE 550
B. Parametr degeneracji bozonów 551
C. Metatrwałość kondensatu 552
D. Chłodzenie przez odparowanie 552
E. Realizacja kondensatu Bosego–Einsteina 554
F. Obserwacja kondensatu Bosego–Einsteina 555
15.5.3. Lasery atomowe 558
A. Spójność funkcji falowej kondensatu 558
B. Atomowy laser impulsowy 559
C. Atomowy laser o pracy ciągłej wytworzony w pułapce magnetycznej 559
D. Atomowy laser o pracy ciągłej wytworzony w pułapce optycznej 559
15.5.4. Rezonanse Feshbacha w gazach bozonowych 560
A. Rozpraszanie fali-s 560
B. Długość rozpraszania fali-s i równanie Grossa–Pitajewskiego 561
C. Modyfikacja długości rozpraszania. Rezonanse Feshbacha 562
15.5.5. Ultraniskie temperatury fermionów 565
A. Wiadomości wstępne 565
B. Degeneracja kwantowa fermionów 565
C. Rezonanse Feshbacha i dwuatomowe cząsteczki fermionów 567
D. Kondensacja molekularna fermionów 568
E. Nadprzewodnictwo i nadpłynność. Pary Coopera 570
F. Złącze BCS-kBE. Kondensacja Fermiego 571

Uzupełnienie. Dielektryczne pokrycia cienkowarstwowe 575

U1. Wprowadzenie 575
U2. Spektralne charakterystyki układów cienkowarstwowych 576
U3. Analiza układów cienkowarstwowych 580
U4. Synteza układów cienkowarstwowych 581
U4.1. Układ startowy i funkcja celu 581
U4.2. Synteza półprzezroczystego zwierciadła szerokopasmowego 582
U4.3. Synteza skomplikowanych pokryć dielektrycznych 584
A. Metoda igłowa syntezy 584
B. Sylwetka Katedry Wawelskiej 586

Literatura 589

1. Literatura cytowana 589
Uzupełnienie 592
2. Podręczniki i opracowana monograficzne 592
Uzupełnienie 593

Skorowidz 595}}