B024431 - ATOMI, MOLECOLE E FOTONI

italiano/inglese (se necessario)

Introduzione al corso: temi della fisica atomica contemporanea. Struttura e spettri atomici e molecolari. Interazione degli atomi con la radiazione elettromagnetica. Spettroscopia atomica con radiazione laser. Raffreddamento e intrappolamento di atomi. Fisica con atomi ultrafreddi. Ricerca attuale in fisica atomica e applicazioni.

- G.M. Tino, “Fisica Atomica-Lezioni all’Università di Firenze”.

I) Struttura e spettri atomici
- H.G. Kuhn, "Atomic Spectra", Longmans, 1969.
- G.K. Woodgate, "Elementary atomic structure", Mc Graw Hill, 1970.
- C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloe, "Quantum Mechanics, Vol. II", 1977.
- B.H. Bransden, C.J. Joachain, Physics of Atoms and Molecules, Prentice Hall, 2003.
- C.J. Foot, "Atomic Physics", Oxford University Press, 2005

II) Interazione degli atomi con la radiazione e.m.
- P. Meystre, M. Sargent, "Elements of Quantum Optics", 3 ed., 1999.
- M. Sargent, M.O. Scully, W.E. Lamb, "Laser Physics", Addison Wesley, 1974.
- R. Loudon, "The quantum theory of light", 2 ed., Clarendon Press, 1983.
- M.O. Scully, M.S. Zubairy, "Quantum Optics", Cambridge Un. Press, 1997.

III) Spettroscopia atomica con radiazione laser
- A. Corney, "Atomic and Laser Spectroscopy", 1977.
- W. Demtroeder, "Laser Spectroscopy", Springer Verlag, 1996.

IV) Fisica con atomi ultrafreddi
- G.M. Tino, M. Inguscio, "Fisica Atomica", in Enciclopedia Treccani, 2000.
- H.J. Metcalf, , P. van der Straten, "Laser Cooling and Trapping", Springer, 2001.
- G.M. Tino, M. Inguscio, "Experiments on Bose-Einstein condensation", Rivista Nuovo Cimento, 1999.
- S.A. Diddams , J.C. Bergquist , S.R. Jefferts , C.W. Oates, "Standards of time and frequency at the outset of the 21st century", Science, 306, 1318-1324, 2004.
- A. D. Cronin, J. Schmiedmayer, and D. E. Pritchard, "Optics and interferometry with atoms and molecules", Rev. Mod. Phys. 81, 1051 (2009).
C. Cohen-Tannoudji, D. Guery-Odelin, Advances in Atomic Physics: An Overview, World Scientific, 2011.

V) Fisica Molecolare
- B.H. Bransden, C.J. Joachain, Physics of Atoms and Molecules, Prentice Hall, 2003.

prof. Guglielmo Tino
tel. 055 4572034
e-mail: <guglielmo.tino@unifi.it>

Esame orale

1. Introduzione al corso: temi della fisica atomica contemporanea.

2. Struttura e spettri atomici.

2.1 Atomo di idrogeno.
2.1.1 Richiami sul modello di Bohr e equazione di Schroedinger.
2.1.2 Effetti relativistici e struttura fine.
2.1.3 Lamb shift e effetti di QED.
2.2 Effetti del nucleo: struttura iperfine e shift isotopico.
2.2.1 Struttura iperfine.
2.2.2 Shift isotopico.
2.3 Interazione con campi magnetici e elettrici statici.
2.3.1 Effetto Zeeman.
2.3.2 Effetto Stark.
2.4 Atomi a più elettroni.
2.4.1 Approssimazione di campo centrale.
2.4.2 Correzioni alla approssimazione di campo centrale e schemi di accoppiamento tra momenti angolari.
2.4.3 Struttura degli atomi a più elettroni e sistema periodico.
2.4.4 Equazioni di Hartree e Hartree-Fock.

3. Interazione degli atomi con la radiazione elettromagnetica.

3.1 Interazione atomo-radiazione e regole di selezione per le transizioni.
3.1.1 Interazione di dipolo elettrico.
3.1.2 Interazione di dipolo magnetico e di quadrupolo elettrico.
3.1.3 Regole di selezione per le transizioni.
3.1.4 Componenti Zeeman e polarizzazione della radiazione.
3.1.5 Esperimento di doppia risonanza di Brossel-Bitter.
3.2 Interazione di un atomo a due livelli con radiazione e.m. monocromatica.
3.2.1 Modello semiclassico.
3.2.2 Fenomeni di rilassamento.
3.2.3 Soluzione esatta.
3.3 Shift luminoso dei livelli e stati vestiti.
3.3.1 Stati vestiti nel formalismo di seconda quantizzazione.
3.3.2 Esempi e applicazioni.
3.4 La matrice densità.
3.4.1 Caso puro (funzione d'onda nota).
3.4.2 Caso misto.
3.4.3 Soluzione col metodo perturbativo.
3.4.4 Matrice di popolazione.
3.5 Modello vettoriale e equazioni di Bloch ottiche.
3.5.1 Equazioni di Bloch ottiche.
3.5.2 Impulsi pi e pi/2, inversione adiabatica, photon echo, schema di Ramsey.
3.6 Polarizzazione di un mezzo e coefficiente di assorbimento.
3.6.1 Polarizzazione in un sistema a due livelli con allargamento omogeneo e rate equations.
3.6.2 Polarizzazione in un sistema a due livelli con allargamento inomogeneo.
3.7 Transizioni a più fotoni.
3.8 Fenomeni di ottica non lineare.
3.9 Elementi di teoria dei laser.
3.10 Effetti di interferenza quantistica in un atomo a tre livelli.
3.10.1 Dark states.
3.10.2 Laser senza inversione.
3.10.3 Elettromagnetically induced trasparency (EIT).

4. Spettroscopia atomica con radiazione laser.

4.1 Introduzione.
4.2 Tecniche spettroscopiche tradizionali.
4.3 Sorgenti e rivelatori di radiazione.
4.3.1 Nuovi metodi di rivelazione.
4.4 Tecniche di spettroscopia non lineare.
4.5 Spettroscopia ad alta risoluzione.
4.5.1 Meccanismi di allargamento delle righe spettrali.
4.5.2 Spettroscopia di saturazione.
4.5.3 Spettroscopia di polarizzazione.
4.5.4 Spettroscopia a due fotoni.


5. Raffreddamento e intrappolamento di atomi.

5.1 Raffreddamento di atomi con luce laser.
5.1.1 Rallentamento di un fascio atomico.
5.1.2 Melasse atomiche.
5.1.3 Raffreddamento al di sotto del rinculo di un singolo fotone.
5.2 Intrappolamento di atomi neutri.
5.2.1 Trappola magneto-ottica.
5.2.2 La trappola dipolare.
5.2.3 Intrappolamento magnetico.
5.3 Raffreddamento evaporativo degli atomi intrappolati.


6 Ricerca attuale in fisica atomica e applicazioni.

6.1 Esperimenti con atomi raffreddati.
6.1.1 Condensazione di Bose-Einstein.
6.1.2 Spettroscopia di precisione.
6.1.3 Collisioni tra atomi ultrafreddi.
6.1.4 Ottica atomica.
6.2 Orologi atomici.
6.2.1 Orologi al cesio.
6.2.2 Orologi atomici ottici.
6.2.3 Prospettive.
6.3 Interferometria atomica.
6.3.1 Introduzione.
6.3.2 Schemi.
6.3.3 Esperimenti.

7. Fisica Molecolare

7.1
Separazione di Born-Oppenheimer.
Legame molecolare in H2: valence bond method (Heitler-London).
Moti nucleari.

7.2
Spettro rotazionale e vibrazionale di una molecola biatomica.
Regole di selezione per transizioni rotazionali e vibrazionali.
Molecole più complesse: CO2 (modi normali di vibrazione, cenni).
Molecole più complesse: NH3 (spettro di inversione, cenni).