Περιγραφή θέματος

  • Γενικά

    Ατομική Φυσική

    Διδάσκων : Μ. Μπενής

    Περιγραφή: Το μάθημα ασχολείται με την σε βάθος περιγραφή της δομής των ατόμων. Αρχικά γίνεται μια σύντομη ανασκόπηση των βασικών αρχών της Κβαντικής θεωρίας και των μονοηλεκτρονικών ατομικών συστημάτων. Στη συνέχεια δίνεται ιδιαίτερο βάρος στην αλληλεπίδραση αυτών με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εστιάζοντας μεταξύ άλλων στην διπολική προσέγγιση, τους κανόνες επιλογής των μεταβάσεων, τους χρόνους ζωής και την φασματική κατανομή των καταστάσεων. Έπειτα εξετάζεται η συνεισφορά των μη-Κουλομπικών όρων στις υδρογονικές ενεργειακές καταστάσεις (λεπτή και υπερλεπτη υφή, μετατόπιση Lamb, κ.α.) και της συμπεριφοράς τους σε εξωτερικά μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία (φαινόμενα Zeeman και Stark). Τα συναφή κεφάλαια συνοδεύονται από μια σύντομη ανασκόπηση της θεωρίας διαταραχών. Κατόπιν εξετάζονται τα ατομικά συστήματα δυο ηλεκτρονίων. Κατασκευάζεται η κυματοσυνάρτησή τους με έμφαση στη σπιν συνιστώσα, υπολογίζεται η ενέργεια της βασικής κατάστασης, εξετάζονται οι απλά και οι διπλά διεγερένες καταστάσεις και το φαινόμενο Auger. Στο επόμενο κεφάλαιο η μελέτη επεκτείνεται στα πολυηλεκτρονικά άτομα. Εξετάζονται η προσέγγιση του κεντρικού πεδίου, το μοντέλο Thomas-Fermi και η μέθοδος Hartree-Fock. Έμφαση δίνεται στην σύζευξη LS, την ονοματολογία των καταστάσεων και τους κανόνες Hund. Με βάση αυτά σχολιάζεται η ηλεκτρονική δομή των στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Τέλος εξετάζεται το φάσμα των αλκαλίων και των ακτίνων Χ. Ως εφαρμογές κι επιστέγασμα των παραπάνω εξετάζονται με λεπτομέρεια τρία ειδικά θέματα Ατομικής φυσικής: Το φωτοηλεκτρικό  φαινόμενο, οι ταλαντώσεις Rabi και η αλληλεπίδραση με πολύ ισχυρά ΗΜ πεδία. 

    Μαθησιακοί στόχοι μαθήματος: Πρωταρχικός στόχος του μαθήματος είναι η σε βάθος κατανόηση της ηλεκτρονικής δομής των ατόμων και των ατομικών διαδικασιών στην επίδραση εξωτερικών πεδίων. Με το πέρας του μαθήματος ο φοιτητής αναμένεται να  έχει επεκτείνει τις γνώσεις του στην Κβαντική θεωρία συμπεριλαμβάνοντας την περιγραφή συστημάτων με πολλά ηλεκτρόνια. Επί πλέον αναμένεται να έχει εξοικειωθεί με ρεαλιστικούς κβαντομηχανικούς υπολογισμούς που σχετίζονται με προβλήματα ατομικής δομής αλλά και δυναμικής όταν εμπλέκονται εξωτερικά πεδία.  

    Λέξεις κλειδιά: Κεντρικά δυναμικά, στροφορμή, σφαιρικές αρμονικές, parity, συμβολισμός Dirac, ατομικό σύστημα μονάδων, ακτινικές κυμματοσυναρτήσεις, φάσμα υδρογόνου, εκφυλισμός, ποζιτρόνιουμ, μιόνιουμ, μιονικά άτομα, αδρονικά άτομα, άτομα Rydberg, θεωρία διαταραχών, αυθόρμητη εκπομπή, εξαναγκασμένη εκπομπή, απορρόφηση, διπολική προσέγγιση, χρυσός κανόνας Fermi, κανόνες επιλογής, διπολικές μεταβάσεις, χρόνος ζωής καταστάσεων, φασματική κατανομή μεταβάσεων, λεπτή υφή, υπέρλεπτη υφή, ισοτοπικές μετατοπίσεις, όρος Darwin, μετατόπιση Lamb, φαινόμεο Zeeman, φαινόμενο Paschen-Back, φαινόμενο Stark, καταστάσεις singlet, καταστάσεις triplet, μέθοδος μεταβολών, απλά διεγερμένες καταστάσεις, διπλά διεγερμένες καταστάσεις, φαινόμενο Auger,  προσέγγιση κεντρικού πεδίου, μοντέλο Thomas-Fermi, μέθοδος Hartree-Fock, ορίζουσες Slater, σύζευξη LS, μη-ισοδύναμα ηλεκτρόνια, ισοδύναμα ηλεκτρόνια, κανόνες του Hund, σύζευξη jj, περιοδικός πίνακας, αλκάλια, ακτίνες Χ, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ταλαντώσεις Rabi, παράμετρος Keldysh, διαδικασία επανασκέδασης, παλμοί αττοδευτερολέπτων.

  • 1 - Στοιχεία Κβαντομηχανικής

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται μια σύντομη ανασκόπηση των βασικών αρχών της Κβαντομηχανικής με τρόπο συμβατό με την ύλη των επόμενων κεφαλάιων. 

    Λέξεις κλειδιά: Κεντρικά δυναμικά, στροφορμή, σφαιρικές αρμονικές, parity, συμβολισμός Dirac, ατομικό σύστημα μονάδων.

  • 2 - Μονοηλεκτρονιακά ατομικά συστήματα

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται μια απαραίτητη σύντομη επανάληψη της κβαντικής θεωρίας της δομής (ιδιοσυναρτήσεις-ιδιοενέργειες) των μονοηλεκτρονικών ατόμων επεκτείνοντας τις πρότερες γνώσεις και σε ειδικά υδρογονοειδή συστήματα.

    Λέξεις κλειδιά: Ακτινικές κυμματοσυναρτήσεις, φάσμα υδρογόνου, εκφυλισμός, ποζιτρόνιουμ, μιόνιουμ, μιονικά άτομα, αδρονικά άτομα, άτομα Rydberg.

  • 3 - Αλληλεπίδραση μονοηλεκτρονιακών ατομικών συστημάτων με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στην ενότητα αυτή μελετάται λεπτομερώς η αλληλεπίδραση των μονοηλεκτρονικών ατομικών συστημάτων με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Με βάση τη θεωρία διαταραχών εξετάζονται τα φαινόμενα της αυθόρμητης κι εξαναγκασμένης εκπομπής και της απορρόφησης φωτός. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η διπολική προσέγγιση και οι απορρέοντες από αυτή κανόνες των ατομικών μεταβάσεων. Τέλος υπολογίζονται οι χρόνοι ζωής των διεγερμένων καταστάσεων και η φασματική κατανομή των μεταβάσεων. 

    Λέξεις κλειδιά : Θεωρία διαταραχών, αυθόρμητη εκπομπή, εξαναγκασμένη εκπομπή, απορρόφηση, διπολική προσέγγιση, χρυσός κανόνας Fermi, κανόνες επιλογής, διπολικές μεταβάσεις, χρόνος ζωής καταστάσεων, φασματική κατανομή μεταβάσεων.

  • 4 - Λεπτή και υπέρλεπτη υφή

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται οι μη-Κουλομπικοί όροι της Χαμιλτονιανής των μονοηλεκτρονικών ατόμων. Συγκεκριμμένα υπολογίζονται οι ενεργειακές συνεισφορές του όρου της σχετικότητας, της αλληλεπίδρασης σπιν-τροχιάς, του όρου Darwin, της μετατόπισης Lamb, του μεγέθους πυρήνα, του πυρηνικού σπιν και της πυρηνικής τετραπολικής ροπής. 

    Λέξεις κλειδιά : Λεπτή υφή, υπέρλεπτη υφή, ισοτοπικές μετατοπίσεις, όρος Darwin, μετατόπιση Lamb.

  • 5 - Μονοηλεκτρoνικά άτομα σε εξωτερικά πεδία

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζεται η επίδραση στην ατομική δομή των μονοηλεκτρονικών ατομικών συστημάτων της παρουσίας εξωτερικών στατικών πεδίων. Συγκεκριμμένα ισχυρών και ασθενών μαγνητικών πεδίων (φαινόμενα Zeeman και Paschen-Back) καθώς και ασθενών ηλεκτρικών πεδίων (φαινόμενο Stark). Το κεφάλαιο συμπεριλαμβάνει ως παράρτημα μια σύντομη παρουσίαση της xρονοανεξάρτητης θεωρίας διαταραχών.

    Λέξεις κλειδιά :  Φαινόμεο Zeeman, φαινόμενο Paschen-Back, φαινόμενο Stark.

  • 6 - Ατομικά συστήματα δυο ηλεκτρονίων

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται τα ατομικά συστήματα δυο ηλεκτρονίων. Κατασκευάζεται η κυματοσυνάρτηση δυο ηλεκτρονίων με ιδιαίτερη έμφαση στο σπιν μέρος της και στο φασματικό συμβολισμό της. Υπολογίζεται η ενέργεια της βασικής κατάστασης με τη μέθοδο διαταραχών αλλά και με τη μέθοδο των μεταβολών. Στη συνέχεια υπολογίζονται οι ενέργειες των απλά διεγερμένων καταστάσεων και τέλος παρουσιάζονται οι διπλά διεγερμένες καταστάσεις και το φαινόμενο Auger.

    Λέξεις κλειδιά : Καταστάσεις singlet, καταστάσεις triplet, μέθοδος μεταβολών, απλά διεγερμένες καταστάσεις, διπλά διεγερμένες καταστάσεις, φαινόμενο Auger.

  • 7 - Ατομικά συστήματα πολλών ηλεκτρονίων

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στο κεφάλαιο αυτό, μετά από τη μέχρι τούδε λεπτομερή παρουσίαση των ατομικών συστημάτων ενός και δυο ηλεκτρονίων,  εξετάζονται η δομή και οι ιδιότητες των ηλεκτρονικών καταστάσεων των ατομικών συστημάτων πολλών ηλεκτρονίων. Παρουσιάζεται η προσέγγιση κεντρικού πεδίου, το ατομικό μοντέλο Thomas-Fermi και η μέθοδος του αυτοσυνεπούς πεδίου Hartree-Fock. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι διορθώσεις στην προσέγγιση κεντρικού πεδίου και συγκεκριμμένα η σύζευξη LS με έμφαση στους κανόνες Hund καθώς και και η σύξευξη jj.Έπειτα παρουσιάζεται κι ερνημεύεται η ηλεκτρονική δομή των στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Τέλος εξετάζεται το φάσμα των αλκαλίων και το γραμμικό φάσμα των ακτίνων Χ.  

    Λέξεις κλειδιά : Προσέγγιση κεντρικού πεδίου, μοντέλο Thomas-Fermi, μέθοδος Hartree-Fock, ορίζουσες Slater, σύζευξη LS, μη-ισοδύναμα ηλεκτρόνια, ισοδύναμα ηλεκτρόνια, κανόνες του Hund, σύζευξη jj, περιοδικός πίνακας, αλκάλια, ακτίνες Χ.

  • 8 - Ειδικά θέματα Ατομικής Φυσικής

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στο τελευταίο αυτό κεφάλαιο παρουσιάζονται τρια διαφορετικά ειδικά θέματα ατομικής φυσικής. 1. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο που μπορεί να ιδωθεί ως μια κατάσταση ημι-σκέδασης. 2. Η αλληλεπίδραση ατόμων με ισχυρά ΗΜ πεδία και οι ταλαντώσεις Rabi (σε αντιδιαστολή με τον χρυσό κανόνα Fermi). 3. Η αλληλεπίδραση ατόμων με πολύ ισχυρά ΗΜ πεδία και η διαδικασία της επανασκέδασης.

    Λέξεις κλειδιά : Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ταλαντώσεις Rabi, παράμετρος Keldysh, διαδικασία επανασκέδασης, παλμοί αττοδευτερολέπτων.

  • Βιβλιογραφία

    • “Physics of Atoms and Molecules”, B.H. Bransden and C.J. Joachain, Longman Scientific and Technical, 1983
    • “Κβαντομηχανική ΙΙ”, Σ. Τραχανάς, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 2009
    • “Atoms Molecules and Photons”, W. Demtröder, Springer, 2010
    • “Atomic Physics”, M. Born, Dover, 8th edition, 1969