birmaga.ru
добавить свой файл

1
7.1. Внутридоплеровская спектроскопия [50]

Так называют приемы, позволяющие исследовать форму спектральных линий, возникающую из-за любых эффектов, кроме эффекта Доплера, т.е. мы можем наблюдать контур линии неподвижного атома, что важно для выявления эффектов взаимодействия или измерения естественной ширины, когда в обычных условиях наблюдения эти уширения были бы скрыты значительно превосходящей их допплеровской шириной. Наиболее известны два приема внутридоплеровской спектроскопии:
а) Метод пересечения уровней

Известно, что характер расщепления энергетических уровней в магнитном поле (эффект Зеемана) существенно различен в сильных и слабых полях. В слабом поле уровень с полным моментом количества движения J=L+S расщепляется на компоненты с различными квантовыми числами МJ. Сильное магнитное поле разрывает связь векторов L и S и каждый уровень L расщепляется на компоненты с разными ML. При плавном изменении индукции магнитного поля В возможно пересечение уровней с разными МJ, т.е. два различных квантовых состояния имеют одну энергию, при этом атом описывается волновой функцией, отражающей суперпозицию состояний , где 1+ ,1- обозначают состояния с МJ =1 соответственно. Предположим, что с этого уровня имеется переход в состояние 0, тогда интенсивность линии излучения, как известно, пропорциональна концентрации излучающих атомов и квадрату модуля матричного элемента дипольного момента , вычисленного по волновым функциям верхнего и нижнего состояний. Предположим, что эти матричные элементы для переходов из состояний с МJ =1 одинаковы и если уровни не пересекаются, то половина атомов находится в состоянии с МJ =+1, а вторая - в состоянии с МJ =-1, тогда интенсивность линии


(А - коэффициент пропорциональности); если же атомы находятся в суперпозиционном состоянии, то

,
т.е. интенсивность возрастает в два раза.

Схема эксперимента по наблюдению пересечения уровней представлена на рис.7.1. Плазма "О", расположенная между полюсами магнита, освещается плоскополяризованным лазерным излучением с частотой перехода между уровнями 0 и 1. Излучение возбужденных уровней наблюдается вдоль поля и регистрируется фотоприемником после спектрометра Р (ширина его аппаратной функции  велика по сравнению с расщеплением уровней, поэтому компоненты не разрешаются даже в случае, представленном на фрагменте R, когда уровни не пересекаются, и всегда регистрируется суммарная интенсивность линии). Поскольку уровни имеют конечную ширину, то эффект возрастания интенсивности наблюдается в некотором интервале полей В, однозначно связанном с шириной уровня =В/h, где  - магнетон Бора.







Рис. 7.1. а - схема эксперимента по наблюдению пересечения уровней,

б - зависимость интенсивности от индукции поля.


б) Двухфотонное возбуждение

Если освещать атом, у которого имеются уровни 1 и 2 (см. рис. 7.2), отстоящие на расстоянии Е12=2ћ, интенсивным излучением на частоте , то верхний уровень будет заселяться путем двухквантовых переходов. Интенсивность процесса можно найти, наблюдая излучение какой-либо спектральной линии (23), идущей с верхнего уровня этого перехода. Вследствие движения атомов они "воспринимают" облучающий их свет с частотой, сдвинутой из-за эффекта Допплера на величину D, зависящую от проекции скорости атома Vz на направление распространения света. Если атом находится между двумя зеркалами и может поглотить два кванта из волн, распространяющихся в противоположных направлениях, то допплеровский сдвиг полностью компенсируется и ширина спектра поглощения для всех атомов независимо от величины и направления их скорости будет одинакова и определится только другими уширяющими факторами.








Рис. 7.2. а - схема уровней при двухфотонном поглощении и флюоресценции,

б - схема эксперимента,

в - зависимость интенсивности флюоресценции от частоты накачки.

На практике плазму освещают мощным излучением перестраиваемого лазера и измеряют интенсивность флюоресценции на переходе (23) в зависимости от частоты накачки. Ширина этой кривой  - удвоенная суммарная ширина уровней 1 и 2 без учета эффекта Доплера.