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Sandbox Physics

量子证据 / 电场

Stark 电场分裂光谱仪

怎样用氢谱线的分裂测出电场多强? 量谱线分裂得多大。加上电场,氢原子的激发态能级会裂开,裂开多少和场强成正比,一条谱线变成几条偏振不同的分量,这就是线性 Stark 效应。移动的外侧两条沿电场方向偏振;把偏振片转到与电场垂直,只剩中间不动的那条,就读不出场强了。

让激发态氢原子穿过电场,按偏振分辨它们的紫外光谱。逐点数光子,再根据测到的分裂大小推算场强。

交互模型Stark 电场分裂光谱仪

装置为示意,间隙和部件经过放大。颜色和移动标记不代表可见光,也不是实测轨迹。拖动可旋转。

曝光:信号与参考分别计数

让光谱留下记录。

每个扫描位置都采集一次信号曝光和一次独立的参考曝光:整线通量监测。曝光时间决定 Poisson 噪声;扫描动画经过加速。

就绪。先预测,再采集。

记录点数

00

外线间距 · 源参考

00

单位场强下的外线位移

00

实测光谱(每秒计数)

什么结构能留在测量里?

Δν/GHz\Delta\nu/\mathrm{GHz} · Ni/τi  (s−1)N_i/\tau_i\;(\mathrm{s^{-1}})

青色:源期望;金色:采集计数率,有拟合后显示拟合的 Poisson 标准差;紫色虚线:从记录推断;灰点:保存记录。包含背景计数。

点击或拖动移动探针;滑块支持键盘输入,纵轴随数据调整。

用联合 Poisson 似然推断

从两次曝光共同估计。

估计场强

—\text{—}

估计源计数率

—\text{—}

每自由度偏差量

—\text{—}

未分裂备选模型

—\text{—}

ri=(Ni−μ^i)/μ^ir_i=(N_i-\widehat\mu_i)/\sqrt{\widehat\mu_i}

金色是信号残差,蓝色是参考残差。拟合时响应、分裂与线宽控件的设定以及背景都已知,未知的是源计数率和要找的光谱参数。至少需要十六个不同的探测位置。残差和偏差量只作描述,不能证明参数可识别,也给不出置信区间或发现显著性。

保留最初的计数。

保存完整或部分实验及其设置和随机种子,页面关闭前一直有效。

#Δν/GHz\Delta\nu/\mathrm{GHz}信号整线通量监测τ/s\tau/\mathrm{s}

显示最近六点;CSV 包含全部原始计数、曝光、设置、单位和种子。移动探针不会改变已采集记录。

科学范围、装置几何与主要来源

电场竖直向上。激发态原子垂直于光子收集轴穿过极板间隙。分析器角度从电场方向量起。理想紫外选择器计数的,是 Gaussian 展宽之后宽 2.5 GHz 的通道。

模型忽略自旋,四个激发态的布居由外部维持相等。从垂直于电场的方向观察,两条位移分量的偏振平行于电场,中央分量的偏振垂直于电场。理想分析器只改变各分量的权重,总通量保持不变;转到垂直偏振时,计数里就不含场强信息。

计算只取一阶,原子核固定,势为 Coulomb 势;精细结构、Lamb 位移、二阶修正、Doppler 动力学和电离都有意略去。低场时这不是真实的氢光谱,高场时也只是定性的教学极限。参考取粗结构的 Lyman 谱线;横轴是失谐量,不是高精度的绝对波长。

各次曝光服从独立的 Poisson 统计,背景已标定,光源稳定;不包含漂移、死时间和标定不确定度。光源就是所示模型,恢复出的参数检验的是模拟器,不是历史发现。

物理教程

Stark 电场分裂光谱仪

背景让激发态氢原子穿过电场,按偏振分辨它们的紫外光谱。逐点数光子,再根据测到的分裂大小推算场强。

为什么值得理解谱线本身说明不了什么。要先把它测出来,还要知道仪器响应怎样随待测量变化,它才能当证据。

先抓重点

核心问题
怎样用氢谱线的分裂测出电场多强?
一句话直觉
信号计数和参考计数放在一起,用同一个 Poisson 似然拟合;源计数率也从这批数据里估出来。

核心数学模型

简并态对的 Stark 位移

H′=eEz,⟨2s∣z∣2p0⟩=−3a0,ΔE={−3ea0E,0,0,3ea0E}H'=eEz,\qquad \langle 2s|z|2p_0\rangle=-3a_0,\qquad \Delta E=\{ -3ea_0E,0,0,3ea_0E\}

电场把这两个态耦合在一起,要先对角化,再用新的能量算谱线位置。两个横向轨道态在一阶近似下不移动。

分析器后的谱线权重

w−=w+=12cos⁡2α,w0=sin⁡2α,Δν±=±3ea0Ehw_-=w_+=\tfrac12\cos^2\alpha,\qquad w_0=\sin^2\alpha,\qquad \Delta\nu_\pm=\pm\frac{3ea_0E}{h}

这组归一化权重假定上能级各态布居相等,观察方向垂直于电场,分析器也是理想的。

有限宽度通道内的计数

gi=∑jwj∫νi−b/2νi+b/2e−(ν−νj)2/(2s2)2πs dν,b=2.5 GHzg_i=\sum_j w_j\int_{\nu_i-b/2}^{\nu_i+b/2}\frac{e^{-(\nu-\nu_j)^2/(2s^2)}}{\sqrt{2\pi}s}\,\mathrm d\nu,\qquad b=2.5\,\mathrm{GHz}

仪器的半高全宽先换算成 Gaussian 标准差。在各个通道上积分,总概率保持不变。

两次独立曝光

Ni∼Poisson⁡ ⁣[τi(Sgi+b)],Mi∼Poisson⁡ ⁣[τi(S+b)]N_i\sim\operatorname{Poisson}\!\left[\tau_i(Sg_i+b)\right],\qquad M_i\sim\operatorname{Poisson}\!\left[\tau_i(S+b)\right]

背景计数率事先已知。源计数率和光谱参数一起拟合,参考计数的涨落也算在内。计数直接按 Poisson 分布抽取,不用 Gaussian 近似再取整。

常见难点

拟合得好,不等于验证了定律

容易误解拟合和数据对得上,就独立证明了模拟器里那条物理定律。

正确理解数据本来就是按预设的响应生成的。参数能被找回来,只说明这套模拟测量和分析流程走得通。偏差量和残差只描述拟合好坏,不是置信区间、显著性检验,也不是外部科学认证。

动手实验

  1. 01

    先分开谱线,再估计场强

    扫描默认光谱,把估计出的场强和你设定的场强比一比,再保存这次实验。

    你会看到: 外侧两条谱线朝相反方向移动。估计值只来自计数和已知的仪器响应,不读取你设定的场强。
  2. 02

    转动分析器

    选“平行偏振”预设并扫描,再选“没有场强信息”重新扫描。

    你会看到: 分析器垂直于电场时,移动的谱线消失。中央线不随场强移动,单靠它定不出场强。
  3. 03

    降低分辨率

    把场强调小,再加大仪器线宽。新光谱分别和保存的实验、未分裂备选模型对比。

    你会看到: 谱线混在一起后,计数对场强的限制程度也跟着变。残差小,并不能单独证明只有一个参数值符合数据。

相关实验与文章

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场、自旋与精密光谱

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