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Allargamento disomogeneo: effetto Doppler

Nel documento Appunti di Struttura della Materia Parte II (pagine 122-131)

L’allargamento per effetto Doppler `e dovuto alla componente della velocit`a dei singoli atomi lungo la direzione di propagazione della radiazione elettromagnetica. Consideriamo un’onda elettromagnetica di frequenza ν0 che si propaghi lungo l’asse z del nostro sistema di riferimento, ed un atomo di massa m che si muova con velocit`a vzopposta alla direzione di propagazione dell’onda. Per l’effetto Doppler, nel proprio sistema di quiete l’atomo vede un’onda di frequenza

ν = ν0 v u u u t 1 + vz c 1− vz c ≈ ν0  1 + vz c  . (11.107)

Perch´e l’onda venga assorbita bisogna che non ν0, ma ν sia uguale alla frequenza ν21 di separazione tra il livello |1i e il livello |2i. Pertanto la radiazione sar`a assorbita solo dagli atomi che hanno velocit`a lungo l’asse z

vz = c  ν21 ν0 − 1  = cν21− ν0 ν0 ≈ cν21− ν0 ν21 , (11.108)

dove abbiamo tenuto conto del fatto che ν21≈ ν0. La probabilit`a che la componente z della velocit`a dell’atomo sia nell’intervallo (vz, vz+ dvz) `e

P (vz) dvz = r m 2πkT e −mv2 z/2kTdvz, (11.109) sostituendo la (11.108), da cui ricaviamo anche che

dvz =−c 0 ν21

,

otteniamo per la probabilit`a che un atomo possa assorbire radiazione nell’intervallo di frequenza (ν0, ν0+ dν0) φ(ν0) dν0 = r m 2πkTe  − m 2kTc 221− ν0)2 ν2 21  c ν210. (11.110) Il valore massimo dell’esponenziale si ha per ν0 = ν21. La larghezza Doppler ∆νD `e definita in modo che per ν0 = ν21± ∆νD l’esponenziale valga 1/2. Abbiamo quindi

m 2kTc 2∆ν2 D ν2 21 = log 2 da cui ∆νD = ν21 c r log 22kT m . (11.111) La (11.110) pu`o cos`ı essere riscritta

φ(ν0) = r log 2 π 1 ∆νD e−(ν0−ν12)2/∆ν2 D, (11.112)

Capitolo 12

Regole di selezione

12.1 Considerazioni di simmetria

In questo paragrafo introdurremo alcuni concetti di simmetria per l’hamiltoniana imperturbata di un atomo. Per semplicit`a, consideriamo l’atomo di idrogeno col suo unico elettrone. L’equazione di Schr¨odinger si scrive ˆ H0(~r) ψn(~r) =  −~ 2 2m∆ + V (~r)  ψn(~r) = Enψn(~r). (12.1)

Per il potenziale generato dal nucleo vale

V (~r) = V (−~r). (12.2) D’altra parte, anche per il laplaciano che compare nell’espressione dell’operatore relativo all’energia cinetica vale ∂2 ∂(−xi)2 = 2 ∂x2 i , per xi = x, y, z. (12.3)

Quindi, in assenza di campi esterni, l’hamiltoniana `e invariante per parit`a, cio`e per trasformazioni che mandino ~r in−~r.

Indipendentemente da questo, se effettuiamo il cambiamento di variabili ~r→ −~r, da ˆ

H0(~r) ψn(~r) = Enψn(~r) otteniamo Hˆ0(−~r) ψn(−~r) = Enψn(−~r). (12.4) Ma dall’invarianza per parit`a abbiamo che ˆH0(−~r) = ˆH0(~r), quindi

ˆ

H0(~r) ψn(−~r) = Enψn(−~r), (12.5) che ci dice che ψn(−~r) e ψn(~r) sono autofunzioni di ˆH0 corrispondenti allo stesso autovalore. Se siamo in assenza di degenerazione all’autovalore En corrisponde un solo autostato. Naturalmente sappiamo che se ψn(~r) `e un’autofunzione di un operatore corrispondente ad un certo autostato |ni, anche la funzione αψn(~r), con α numero complesso qualunque, `e un’autofunzione corrispondente allo stato|ni. Quindi deve essere

ψn(−~r) = α ψn(~r). (12.6) Se in ambedue i membri sostituiamo ~r con−~r otteniamo

ψn(~r) = α ψn(−~r). (12.7) 123

D’altra parte, se sostituiamo la (12.6) nella (12.7) abbiamo

ψn(−~r) = α ψn(~r) = α2ψn(−~r) (12.8) da cui

α2 = 1, α =±1, ψn(−~r) = ±ψn(~r). (12.9) In altre parole, in assenza di degenerazione, le autofunzioni di ˆH0 hanno parit`a definita: o sono pari, o sono dispari.

Un’altra propriet`a di ˆH0`e la sua invarianza per rotazioni di qualunque angolo attorno a qualunque asse passante per il nucleo, per esempio, attorno all’asse z. Indicando con ϕ l’angolo di rotazione attorno a z, abbiamo cos`ı

ˆ

H0(r, ϑ, ϕ + ϕ1) = ˆH0(r, ϑ, ϕ). (12.10) Scrivendo l’equazione di Schr¨odinger in coordinate sferiche abbiamo

ˆ

H0(r, ϑ, ϕ + ϕ1) ψn(r, ϑ, ϕ + ϕ1) = Enψn(r, ϑ, ϕ + ϕ1), (12.11) che, data l’invarianza per rotazione di ˆH0, equivale a

ˆ

H0(r, ϑ, ϕ) ψn(r, ϑ, ϕ + ϕ1) = Enψn(r, ϑ, ϕ + ϕ1). (12.12) Ancora una volta, se non c’`e degenerazione deve essere

ψn(r, ϑ, ϕ + ϕ1) = αϕ1ψn(r, ϑ, ϕ), (12.13) con il fattore di proporzionalit`a αϕ1 che pu`o dipendere da ϕ1. Se facciamo una rotazione di ϕ2 anzich´e di ϕ1 abbiamo

ψn(r, ϑ, ϕ + ϕ2) = αϕ2ψn(r, ϑ, ϕ). (12.14) Adesso sostituiamo ϕ + ϕ2 al posto di ϕ nella (12.13), ottenendo

ψn(r, ϑ, ϕ + ϕ1+ ϕ2) = αϕ1ψn(r, ϑ, ϕ + ϕ2), (12.15) che, in base alla (12.14), pu`o essere riscritta

ψn(r, ϑ, ϕ + ϕ1+ ϕ2) = αϕ1αϕ2ψn(r, ϑ, ϕ), (12.16) da cui si ricava

αϕ1+ϕ2 = αϕ1αϕ2. (12.17) Quest’ultima relazione `e verificata solo se

αϕ = eimϕ, (12.18) con m parametro da determinare. Ogni funzione deve essere trasformata in s´e stessa da una rotazione di un angolo uguale a 2π. Abbiamo quindi la condizione

eim2π = 1, (12.19)

che implica che m sia un numero intero, positivo o negativo. Questa relazione ci permette anche di determinare la dipendenza delle ψn dalla coordinata sferica ϕ. Infatti abbiamo

ψn(r, ϑ, 0 + ϕ) = αϕψn(r, ϑ, 0) = eimϕψn(r, ϑ, 0), (12.20) con m intero.

12.2. TRANSIZIONI DI DIPOLO ELETTRICO 125

12.2 Transizioni di dipolo elettrico

Come abbiamo visto nel paragrafo 10.3 l’operatore momento di dipolo elettrico per un atomo pu`o essere scritto b~ P =−e Z X i=1 b

~ri, con componenti Pˆx =−e

Z X i=1 ˆ xi, Pˆy =−e Z X i=1 ˆ yi, Pˆz =−e Z X i=1 ˆ zi. (12.21)

Limitandoci, per semplicit`a di calcolo, all’atomo di idrogeno, abbiamo b~

P =−e b~r, con componenti Pˆx =−e ˆx, Pˆy =−e ˆy, Pˆz =−e ˆz, (12.22) dove b~r ≡ (ˆx, ˆy, ˆz) `e l’operatore posizione dell’elettrone nel sistema di riferimento del nucleo. Se vogliamo calcolare il valor medio di bP su un qualunque autostato~ |ni di ˆH0 abbiamo

hn|b~P|ni = −e Z +∞ −∞ dx Z +∞ −∞ dy Z +∞ −∞ dz ψn(~r) ~r ψn(~r). (12.23)

Se nell’integrale effettuiamo il cambiamento di variabili

x→ −x, y → −y, z → −z, il valore dell’integrale stesso rimane invariato, quindi

hn|b~P|ni = −e Z −∞ +∞ −dx Z −∞ +∞ −dy Z −∞ +∞ −dz ψ n(−~r) (−~r) ψn(−~r). (12.24) L’integrale triplo rimane inalterato anche se adesso per ognuno degli integrali scambiamo i limiti di integrazione e cambiamo il segno del differenziale

hn|b~P|ni = −e Z +∞ −∞ dx Z +∞ −∞ dy Z +∞ −∞ dz ψn(−~r) (−~r) ψn(−~r). (12.25) Se supponiamo di non avere degenerazione, continua ad essere valida per la funzione d’onda la propriet`a (12.9), quindi ψ

n(~r)ψn(~r) `e invariante per parit`a, e ψ

n(−~r)ψn(−~r) = ψ n(~r)ψn(~r): hn|b~P|ni = −e Z +∞ −∞ dx Z +∞ −∞ dy Z +∞ −∞ dz ψn(−~r) (−~r) ψn(−~r) = −e Z +∞ −∞ dx Z +∞ −∞ dy Z +∞ −∞ dz ψn(~r) (−~r) ψn(~r) = +e Z +∞ −∞ dx Z +∞ −∞ dy Z +∞ −∞ dz ψn(~r) (~r) ψn(~r), (12.26)

che, paragonato alla (12.23), porta a

hn|b~P|ni = −hn|b~P|ni = 0. (12.27) Come avevamo gi`a detto, bP ha valor medio nullo su qualunque autostato non degenere di ˆ~ H0. Se abbiamo a che fare con un atomo diverso dall’atomo di idrogeno, rimane il fatto che gli autostati non

degeneri dell’hamiltoniana imperturbata hanno parit`a definita. I conti appena fatti possono quindi essere ripetuti con funzioni d’onda che dipendono dalle coordinate di tutti gli elettroni dell’atomo (opportunamente antisimmetrizzate), e con il momento di dipolo scritto nella forma (12.21), riotte-nendo il risultato che il valor medio di bP `e nullo su qualunque stato stazionario dell’atomo. Una cosa~ molto importante da notare `e che, usando propriet`a di simmetria, siamo arrivati a dire che il valore dell’integrale `e zero senza doverlo calcolare esplicitamente.

Per gli elementi di matrice di bP tra due autostati diversi di ˆ~ H0, per esempio |mi e |ni, il risultato precedente ci dice che

hn|b~P|mi = Z +∞ −∞ dx Z +∞ −∞ dy Z +∞ −∞ dz ψn(~r) ~r ψm(~r). (12.28)

pu`o essere (ma non necessariamente `e) diverso da zero solo se gli stati|mi e |ni hanno parit`a diversa. Per andare oltre conviene considerare separatamente le singole componenti del dipolo ed usare le coordinate sferiche, con l’asse z preso come asse di quantizzazione. Etichettiamo esplicitamente gli autostati come|n, l, mi, e le funzioni d’onda come ψn,l,m(r, ϑ, ϕ). Per la componente ˆPz, abbiamo

hn, l, m| ˆPz|n, l, mi = −e Z

ψ

n′,l′,m′(r, ϑ, ϕ) (r cos ϑ) ψn,l,m(r, ϑ, ϕ) dτ, (12.29) dove z `e stato scritto come r cos ϑ, e dτ `e l’elemento di volume. Applichiamo una rotazione di un angolo arbitrario ϕ0 attorno all’asse z, che lascia inalterata l’hamiltoniana. Poich´e z non viene cambiato dalla rotazione, la (12.20) ci dice che la trasformazione dell’elemento di matrice `e

hn, l, m| ˆPz|n, l, mi → hn, l, m| ˆPz|n, l, miei(m−m′) ϕ0. (12.30) D’altra parte l’elemento di matrice deve restare invariato, quindi, se hn, l, m| ˆPz|n, l, mi 6= 0, dobbiamo avere

ei(m−m) ϕ0 = 1 (12.31)

qualunque sia il valore di ϕ0. Questo `e possibile solo se m = m. Questa `e una regola di selezione: se il campo elettrico dell’onda elettromagnetica `e diretto lungo l’asse z, possono avvenire transizioni di dipolo elettrico solo tra stati con m = m. In questo caso si parla di radiazione polarizzata π (il valore fonetico di “π” `e “p”, per polarizzazione “parallela” all’asse di quantizzazione).

Anzich´e trattare direttamente le componenti ˆPx e ˆPy, adesso conviene considerare le loro combi-nazioni ˆP+ e ˆP definite da

ˆ

P+ = Pˆx+ i ˆPy

ˆ

P = Pˆx− i ˆPy. (12.32) Esprimendo x e y in coordinate polari, cio`e x = r sin ϑ cos ϕ e y = r sin ϑ sin ϕ, abbiamo per gli elementi di matrice

hn, l, m| ˆP±|n, l, mi = −e Z

ψn′,l′,m′(r, ϑ, ϕ) r sin ϑe±iϕψn,l,m(r, ϑ, ϕ) dτ. (12.33) Se, di nuovo, facciamo una rotazione di un angolo arbitrario ϕ0 attorno all’asse z, che lascia inalterata l’hamiltoniana, abbiamo la trasformazione

12.2. TRANSIZIONI DI DIPOLO ELETTRICO 127

Imponendo nuovamente che l’elemento di matrice resti invariato, vediamo che deve essere m = m + 1 perch´e possa essere hn, l, m| ˆP+|n, l, mi 6= 0

m = m− 1 perch´e possa essere hn, l, m| ˆP|n, l, mi 6= 0. (12.35) Una seconda regola di selezione ci dice quindi che, per radiazione polarizzata perpendicolarmente all’asse di quantizzazione, si possono avere solo transizioni com m = m± 1. In questo caso si parla di luce polarizzata σ (il valore fonetico di σ `e “s”, “perpendicolare” in tedesco si dice “senkrecht”, quindi, polarizzazione “perpendicolare” all’asse di quantizzazione). In caso di radiazione σ pola-rizzata circolarmente, si chiama polarizzazione σ+ quella che induce transizioni con m = m + 1, polarizzazione σ quella che induce transizioni con m = m− 1.

Con considerazioni analoghe, ma pi`u complicate dal punto di vista matematico, possiamo ricavare la regola di selezione per il momento angolare orbitale dell’elettrone:

l = l± 1. (12.36)

Regole di selezione pi`u generali possono essere ottenute, in maniera pi`u elegante, dal teorema di Wigner-Eckart, per il quale rimandiamo ad un testo di meccanica quantistica.

Bibliografia

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[6] F. K. Kneub¨uhl und M. W. Sigrist, Laser, Teubner Verlag, Stuttgart, 1988.

[7] R. Loudon, The Quantum Theory of Light, Oxford University Press, Oxford and New York, 2008.

[8] F. Reif, Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, McGraw-Hill Kogakusha, Tokyo, 1965.

Indice analitico

Allargamento Doppler, 122 Allargamento omogeneo, 121 Ampiezze di probabilit`a, 84 Assorbimento, 96 Bilancio dettagliato, 105, 106 bit, 8

Bloch, equazioni ottiche di, 111

Coefficiente di assorbimento, 115 Coerenze, 107

Dipendenti dal tempo, perturbazioni, 83 Doppler, allargamento, 122

Doppler, larghezza, 122

Effetto Raman stimolato, 93 Emissione spontanea, 96 Emissione stimolata, 96

Equazione del bilancio dettagliato, 106 Equazioni di Bloch ottiche, 111

Equazioni di Maxwell-Bloch, 118

Equilibrio termodinamico, 106, 108, 111 Esponenziale di un operatore, 17

Fermi, regola d’oro di, 89 Fermi. regola d’oro di, 120

Feynman-Vernon-Hellwarth, modello di, 109 Forma di riga, 121

Frequenza di Rabi, 100, 102 Hamiltoniana di perturbazione, 83 Hamiltoniana imperturbata, 83 Heisenberg, rappresentazione di, 16 Imperturbata, hamiltoniana, 83 Indice di rifrazione, 115 Informazione mancante, 7, 15 Intensit`a di saturazione, 114 Interferometro di Michelson, 61 Interferometro di Young, 63

Lagrange, moltiplicatori di, 21 Larghezza Doppler, 122

Massima informazione mancante, 20 Matrice densit`a, 18, 106

Maxwell-Bloch, equazioni di, 118 Michelson, interferometro di, 61

Modello di Feynman-Vernon-Hellwarth, 109 Numero di Avogadro, 7

Omogeneo, allargamento, 121 Onda lentamente variabile, 118 Oscillazioni di Rabi, 102

Perturbazione, hamiltoniana di, 83 Perturbazioni costanti, 85

Perturbazioni dipendenti dal tempo, 83 Popolazioni, 107

Probabilit`a a priori, 19 Probabilit`a di transizione, 83 Probabilit`a, ampiezze di, 84 Punti di sella, 21

Rabi, frequenza di, 100, 102 Rabi, oscillazioni di, 102 Raman, effetto, 93

Rappresentazione di Schr¨odinger, 83 Rate equations, 105, 106

Regola d’oro di Fermi, 89, 120 Rilassamento, 111

Rilassamento longitudinale, 112 Rilassamento parallelo, 112 Rilassamento perpendicolare, 112 Rilassamento trasversale, 112

Rinormalizzazione dell’informazione mancante, 11 Saturazione, intensit`a di, 114

Scelta nel continuo, 10 Scelte equiprobabili, 7

Schr¨odinger, rappresentazione di, 16, 83 sinc, 62, 86

INDICE ANALITICO 131

sinc non normalizzata, 62 sinc normalizzata, 62 sinc2, 86

Stato puro, 106

Stirling, approssimazione di, 9 Transizione, probabilit`a di, 83 Transizioni a due fotoni, 93 Transizioni di dipolo elettrico, 94 Trasformazioni attive e passive, 13 Young, interferometro di, 63

Nel documento Appunti di Struttura della Materia Parte II (pagine 122-131)

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