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
- B.H. Bransden, C.J. Joachain, Physics of Atoms and Molecules, Prentice Hall, 2003.
- C.J. Foot, "Atomic Physics", Oxford University Press, 2005
- 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.
II) Fisica molecolare
- B.H. Bransden, C.J. Joachain, Physics of Atoms and Molecules, Prentice Hall, 2003.
- Peter William Atkins Roland S Friedman, Meccanica quantistica molecolare, Zanichelli, 2000.
III) I fotoni e l'interazione con atomi e molecole
- C. Cohen-Tannoudji, D. Guery-Odelin, Advances in Atomic Physics: An Overview, World Scientific, 2011.
- G. Grynberg, A. Aspect, C. Fabre, "Introduction to Quantum Optics", Cambridge Un. Press, 2010.
- 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.
IV) Spettroscopia atomica con radiazione laser
- A. Corney, "Atomic and Laser Spectroscopy", 1977.
- W. Demtroeder, "Laser Spectroscopy", Springer Verlag, 1996.
V) Fisica con atomi ultrafreddi
- C. Cohen-Tannoudji, D. Guery-Odelin, Advances in Atomic Physics: An Overview, World Scientific, 2011.
- G.M. Tino, M. Inguscio, "Fisica Atomica", in Enciclopedia Treccani, 2000.
- G.M. Tino, M. Inguscio, "Experiments on Bose-Einstein condensation", La Rivista Nuovo Cimento, 1999.
- N. Poli, C. W. Oates, P. Gill, G. M. Tino, "Optical Atomic Clocks", La Rivista del Nuovo Cimento, 12, 555-624 (2013) (https://arxiv.org/abs/1401.2378)
- A. D. Cronin, J. Schmiedmayer, and D. E. Pritchard, "Optics and interferometry with atoms and molecules", Rev. Mod. Phys. 81, 1051 (2009).
Altre Informazioni
prof. Guglielmo Tino
tel. 055 4572034
e-mail: <guglielmo.tino@unifi.it>
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale. Allo studente sarà richiesto di esporre e discutere 2-3 argomenti specifici del programma. La valutazione: Lo studente dovrà utilizzare un linguaggio appropriato dimostrando la comprensione dei processi fisici principali, e di come le assunzioni di partenza determinano i risultati finali. Domande più specifiche potrebbero essere poste durante l'esposizione degli argomenti per meglio determinare il livello di comprensione da parte dello studente. Lo studente dovrà essere in grado di fare semplici calcoli a ordini di grandezza ma anche sviluppare completamente il modello matematico laddove questo sia stato presentato a lezione.
Programma del corso
Introduzione al corso. Temi della fisica atomica e molecolare attuale.
L'atomo di idrogeno: spettro; modello di Bohr; equazione di Schroedinger, autostati e autovalori. Equazione di Dirac, soluzione all'ordine (v/c)^2 per l'atomo di idrogeno. Struttura fine dei livelli dell'atomo di idrogeno.
Lamb shift: esperimento di Lamb e Retherford e modello di Welton.
Atomi a piu' elettroni: accoppiamento LS, accoppiamento jj, accoppiamento Jl.
Struttura iperfine. Shift isotopico.
Regole di selezione per transizioni di dipolo elettrico, di dipolo magnetico, di quadrupolo elettrico.
Sistema a due livelli in presenza di una perturbazione. Descrizione di effetti con vettore di Bloch: impulso pi, pi/2, schema di Ramsey.
Effetto Zeeman, effetto Paschen Back. Effetto Zeeman in campi intermedi.
Intensita' relative per le transizioni tra diverse componenti Zeeman. Discussione esperimento di doppia risonanza di Brossel-Bitter.
Cenni su effetto Stark e quenching.
Spettroscopia dell'idrogeno e idrogeno muonico; esperimenti recenti. Livelli e spettri atomici. Diagrammi di Grotrian.
Struttura molecolare. Soluzione del problema agli autovalori in approssimazione adiabatica (separazione del moto elettronico e nucleare di Born-Oppeneimer). Struttura elettronica di
molecole biatomiche, simmetrie e notazioni dei termini elettronici molecolari. Esempi: molecola idrogeno H2 metodo di valenza (Heitler-London).
Spettro rotazionale e roto-vibrazionale di molecole biatomiche. Momento di dipolo.
Molecole: Transizioni elettroniche e principio di Franck-Condon; transizioni Raman; fluorescenza e fosforescenza; fotodissociazione e fotoassociazione; effetto dello spin nucleare nello spettro delle meolecole O2 e H2; molecola di ammoniaca.
Il fotone: quantizzazione del campo e.m.; stati di Fock; fotoni localizzati; stati coerenti; generazione di un singolo fotone; separatore di fascio; interferometro; esperimento in omodina con singolo fotone; nonlocalita'.
Effetto Hong-Ou-Mandel. Entanglement. EPR, disuguaglianza di Bell, esperimento di Aspect.
Shift luminoso dei livelli e stati vestiti.
Effetto Autler-Townes. Emissione spontanea come cascata di fotoni: antibunching, tripletto di Mollow, correlazioni temporali.
Operatore densità. Matrice densità. Effetti di decadimento.
Modello vettoriale e equazioni di Bloch ottiche.
Descrizione di effetti con vettore di Bloch: impulso pi, pi/2, inversione adiabatica, photon-echo. Metodo di Ramsey. Orologi atomici. Interferometria atomica. Sistema a 2 livelli con stato inferiore stabile: soluzione stazionaria delle equazioni di Bloch.
Sistemi a tre livelli. Esperimento di Gozzini su riga nera. Effetti di coerenza e interferenza. Intrappolamento coerente e dark states. Guadagno e laser senza inversione. Trasparenza indotta (EIT). Velocità di gruppo per un impulso luminoso in un mezzo.
Transizioni a due fotoni, spettroscopia Doppler-free a due fotoni, transizioni Raman.
Allargamento delle righe spettrali. Schemi spettroscopia sub-Doppler. Spettroscopia di saturazione. Spettroscopia di polarizzazione. Spettroscopia a due fotoni. Esperimenti sulla transizione 1s-2s dell'idrogeno. Spettroscopia dell'idrogeno muonico.
Rallentamento di un fascio atomico con radiazione laser. Melasse ottiche: principio e limite di temperatura Doppler. Raffreddamento sub-Doppler. Raffreddamento sub-recoil. Confinamento magneto-ottico. Trappole ottiche. Intrappolamento magnetico e raffreddamento evaporativo.
Esperimenti di fisica atomica: Condensazione di Bose-Einstein e gas di Fermi; Fontana atomica; Interferometro atomico e misure di gravità; Orologio atomico ottico; Entanglement e squeezing.