Post on 05-Apr-2015
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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
Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“ Magnetisch: Stern-Gerlach
Ar*
Spiegel
2p8
Grundzustand
1s5
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 Photonen2 =32nsec (10-9sec) ! 1mseca= 106m/sec2 (105 g!!!)
Dopplerverbreiterung:
Frequenz
LinieAtom inRuhe
Thermische Bewegung
Beispiel:Na D Linie 500K
Dopplerbreite 100mal natürlicheLinienbreite
E t > ~
Optische Molasse:
Atome mit v=0keine Wechselwirkung
v -> Gegenkraft
Reibung (Sirup)
Atome werden nicht gefangen(keine Ortsabhängige Kraft)
+ Ortsabhängiges B-Feld+ Zeemaneffekt-----------------------------MOT FALLE
m=-1 m=0 m=+1
Fazit:Nicht nur Energieauch Polarisationmuss stimmen
je na Richtungdes B Feldesnur rechts zirkular!
Verwende B Feld / Zeemanaufspaltungum Laserankopplung zu “schalten”
Antihelmholtzspulen
MagnetfeldB=0 in derMitte
|B| steigt in jede
Richtung
Magneto-Optical Trap
Magneto-Optical Trap
E = kT = ½ mv2
schwere Atome sind langsam -> Fangen aus dem “Hintergrund”leichte sind schnell -> erst abbremsen
Fallentiefe: meV
Cooling and Trapping of He*
Kompression Ablenkung (neutrales He*) Abbremsen
Falle
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 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
Einschub:Woher kommen Photonen?
Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)
Übergänge in Atomen/Molekülen/FestkörpernSpontane EmissionInduzierte Emission (Laser)höhere Harmonische
KernübergängeVernichtungsstrahlung
Schwarzkörperstrahlung
BremsstrahlungRöntgenröhreSynchrotronFEL
Plancksches Strahlungsgesetz
Rayleigh, Jeans Strahlungsgesetzt
Planck: fitted die Kurve Später Ableitung
ehv verhindert dieUV Katastrophe
Thermisch besetzter Oszillator1/2kT kinetisch 1/2kT potentiell
Harmonische Oszillatoren(schwingende Ladungen)
Thermisches GleichgewichtZwischen Absorbtion und Emission
Plancks Annahme: harmonischer Oszillator kann nicht kontinuierlich absorbieren, sonder nur E= nh diskret
Fitkonstante h=Plancksches Wirkungsquantum=6.626 10-34Js
Ene
rgie
Klassisch: kontinuierlich
Planck:Diskret, Abstand h
Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)
Übergänge in Atomen/Molekülen/FestkörpernSpontane EmissionInduzierte Emission (Laser)
KernübergängeVernichtungsstrahlung
Schwarzkörperstrahlung
Bremsstrahlung
RöntgenröhreSynchrotronFEL
Röntgenstrahlung
W.C. Röntgen 8.November 1895 X-Strahlen
Hand von Frau Röntgen 22.Dez.1895http://www.deutsches-museum.de/ausstell/meister/roent.htm
Elektronen
Röntgenstrahlung
Wechselwirkung der Elektronen
99% Wärme1% Strahlung
Bremsstrahlung
Charakteristische Linien
22.3. Charakteristische Röntgensrahlung
Elektron
Elektronen
CharakteristischeRöntgenstrahlung
Charakteristische Röntgenstrahlung
Elektron
Elektronen
Charakteristische Röntgenstrahlung
Röntgenstpektrum freierXe Atome 12keV Elektronen
12keV
Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)
Übergänge in Atomen/Molekülen/FestkörpernSpontane EmissionInduzierte Emission (Laser)
KernübergängeVernichtungsstrahlung
Schwarzkörperstrahlung
BremsstrahlungRöntgenröhre
SynchrotronFEL
Nichtrelativistisch:Dipolemission
Relativistisch:Vorwärtsbündelung
Beschleunigte Ladung
Beispiel:E=800MeV = 0.64mrad
Nachsehen
Eigenschaften des Photons
•Energie: E = h •Impuls p=h/c•Masse m=E/c2 = h /c2
•Ruhemasse m0=0•Drehimpuls sph=h
zirkularpolarisiertes Licht
Photonendrehimpuls +- h
linear polarisiertes Licht
Drehimpuls gleichwahrscheinlichin oder gegen Ausbreitungsrichtung
Polarisation von Synchrotronstrahlung:
Hasylab Hamburg
ASTRID Aarhus
Bending Flux
1E+12
1E+13
1E+14
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Energy [keV]
Ph
oto
ns
/ s
ec
on
d
Wh.-Book Gr.-Book
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
Radiation CharacteristicsMachine
E Critical
800eV at 1.5 GeV11keV at 4 GeV
1GeV
2 GeV
Bending magnet: weisses LichtWiggler: Weisses Licht, n*bending magnetUndulator: 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
SASESelf Amplification of Spontanious Emission
Bending magnet: weisses LichtWiggler: Weisses Licht, n*bending magnetUndulator: Monochromatisches Licht,
Koherente Addition des Lichtes eines jeden ElektronsFEL: Koheränz zwischen den einzelnen Elektronen
„Free electron“ light sources
Dipole magnetSynchrotron radiation
Undulator
Wiggler
FEL
spatially coherent
1=u/22(1+K2/2)
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10y = E/Ec
0.001
0.01
0.1
1
10
100
Inte
ns
ity
(a
rb. u
nit
s)
Wiggler
Dipole
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10y = E/Ec
0.001
0.01
0.1
1
10
100
Inte
ns
ity
(a
rb. u
nit
s)
Wiggler
Dipole
1014
1012
1010
108
106
104
Inte
nsity
1041021009896
Photon energy (eV)
Typical pulse energy:
~1 mJ~ Ne
~ Ne2
Angle-integrated flux
VUV-FEL
FEL essentials
make use of
• high peak intensity• short pulse duration
1013
Photonen
109 Photonen
FEL
Undulator (x 10 )6
100 ps
100 fs
Photons
Photons
time
Improved beam properties by seeding
Spectrum before - after seeding
funded by the Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft of German Research Centers (HGF), in collaboration with GKSS, Geesthacht, and ISA, Arhus
Self-seeding
1012 Photonen in100 fsec
Erste SASE Emission des TESLA FEL, Hamburg, Jan 2000
TESLA Test Facility(TTF 1, 1995-2002)
FLASH
experimental hall
Commissioning: 2004
User experiments: 2005
FLASH User Facility at DESY
Photon energy ~20-200 eV Bandwidth /~0.5 %Peak power >1 GWPulse duration 100 fsPulses per second 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
Spectrometer: ion-electron coincidenceeV resolution for ions meV for electrons
Reaction-Microscope
supersonic gas jetatoms, molecules
FELFEL
drift
Detectorposition-sensitive multi-hit
Helmholtz coil
E-field
• ultra high vacuum: p < 10-11 mbar• cold target : T < 1 Kelvin• multi-hit detectors: = 12 cm, t ~ 10 ns
ion detector
gas jet
electron det.
FEL
Ziele: z.B. Röntgenbeugung an Einzelmolekülen
1012 Photonen in100 fsec