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) Interazione degli atomi con la radiazione e.m.
- C. Cohen-Tannoudji, D. Guery-Odelin, Advances in Atomic Physics: An Overview, World Scientific, 2011.
- 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
- 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).
V) 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.
Altre Informazioni
prof. Guglielmo Tino
tel. 055 4572034
e-mail: <guglielmo.tino@unifi.it>
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale
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.