principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Скорость ионизации зависит от давления газа, возбу>кденяого состояния и его положения по отношению к уровню ионизации, доли возбужденных атомов и т. д. В общем случае, чтобы ионизация посредством столкновений была эффективной, давление газа должно быть достаточно высоким. Этот метод удобен для ионизации атомов в газовой кювете. Детекторы ионов могут быть простыми или сложными в зависимости от требований эксперимента.
Двумя хорошо известными примерами являются электронные умножители и пропорциональные счетчики. На рис. $8.3 показана очень простая, но чувствительная схема детектирования ионов в газовой кювете Щ. Ионизационный 322 пробник в кювете состоит из металлической нити, заряженной отрицательно по отношению к заземленной металлической стенке кюветы. Термоэлектронная эмиссия с этой нити создает область пространственного заряда, окружающую нить, и приводит к появлению ограниченного пространственным зарядом тока, как в случае вакуумного лампового диода в режиме ограничения тока за счет пространственного заряда.
Соаданные в кювете ионы дрейфуют по направлению к металлической нити. Стремясь нейтрализовать ионы, Иониеаиионнын Нае ейашееь пробник кий анена н агпоннь~ни парана Рис. 18.3. Простейшая экспоримептальпая установка для реализации миогофотоипой иояиаациоипой спектроскопии (Кеаепса Р., 1руяяе 1. 1., Агнгатгояу Х А. У Ьазог Брасьгоасору, 111/Ейа 1. Ь. На11 апй 1. Ь. Еаг1агеп.— Вегйп: Врг1пйег-Чег1ай, 1977. Р.
170) электроны в области пространственного заряда притягиваются к ионам. При этом они создают изменение тока, на много порядков (больше тО') превышающее то, которое можно было ожидать от потока ионов. Это сильное увеличение тока приводит к высокой чувствительности при детектировании ионов. Сигнал появляется в виде падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Напряжение смещения, которое нужно приложить к нити в этом случае, составляет всего лишь -т. В. Чтобы набежать влияния на атомные нли молекулярные спектры эффекта Штарка в постоянном электрическом поле, область ионизапй1и можно заэкранировать от области пространственного заряда с помощью сетки, которая делает область ионизации свободной ов поля, но позволяет ионам дрейфовать в область пространственного заряда.
Из-за своей простоты эта схема детектирования ионов в настоящее время получила распространение при многофотонной спектроскопии в газовой кювете. 18.3 Спектроскопические применении Многофотонная спектроскопия позволяет нам изучать возбужденные состояния и переходы между ними, которых нельзя достичь при однофотонных переходах. Например, в атомах щелочных металлов с помощью многофотонного возбуждения можно исследовать возбужденные состояния (п'е), (и'й), (и'1) и т. д., а в атомах щелочноэемельных элементов — состояния (пе) (и'е), (пе) (и'и), (вр) (и'Ы) и т.
д. Получаемые результаты имеют большое значение для дальнейшего развития квантовой теории этих 21к 323 простых атомов. В случае атомов щелочноземельных элементов экспериментальные результаты позволили точно проверить теорию многоканальных квантовых дефектов. Интересны многофотонные спектры и других многоэлектронных атомов, хотя теория этих атомов разработана не столь хорошо. В области молекулярной спектроскопии многофотонная спектроскопии, также стала новым направлением.
С ее помощью получается очень важная информация о структуре энергетических уровней молекул н о свойствах молекул в возбужденных состояниях. В этом разделе вместо общего обсуждения бесчисленных применений многофотонной спектроскопии мы остановимся на ее применении для изучения ридберговских атомов и автоионизацнонных состояний. Эти примеры могут помочь проиллюстрировать могущество и полезность метода многофотонной спектроскопии.
а. Ридберзоесние атомьа Под ридберговскими атомами мы будем понимать здесь атомы, находящиеся в сильно возбужденных ридберговских состояниях 12]. Их характеристики сильно отличаются от нормальных атомов. Как показано в таблице 18Л, возбужденный электрон в ридберговском атоме имеет радиус орбиты, приблизительно равный и*а„ Таблица 181 Свайагза рнлбергевсннх атомов [2] Характеристика каысш Зависимость ст и Энергия азиза Равность энергнй соседних состояний Радиус орбиты Геометрическое ссчсвна Дннольннй момент (ьиг~т~ в/) Пслнрнзуемссть Радиационное время жизни Сзерхтонкас рисщенлввнс 0,14 зВ О,МЗ эВ 147 ас 68000 ас в-э ва вь 143 ас 0,21 МГц/(В/см)т 1,0 мкс 92 МГц вт вт вк в-э где п — главное квантовое число, а а, — боровский радиус.
В слуи чае водорода при в — — 50 этот радиус равен 2500 ас — 4000 А, т. е. имеет почти макроскопический размер. Соответствующее геометрическое сечение будет в б 10с раз больше, чем для атома водорода в основном состоянии. Возбужденный электрон ридберговского атома очень слабо связан с остовом и легко испытывает возмущение со стороны внешних полей.
Излучательное время жизни высоковозбужденного электрона (это время одновременно является временем жизни ридберговского атома) меняется как и'. Вследствие большого радиуса орбиты сильно возбужденного электрона 324 вероятность перехода между двумя соседними ридберговскими состояниями с большим и оказывается болъшой. Можно ожидать, что н вааимодействие между ридберговскими атомами также будет очень сильным. Необычные свойства ридберговских атомов делают изучение последних особенно интересным.
С точки зрения фундаментальной физики аккуратные измерения энергий, времен жизни, вероятностей ионизации, эффектов Штарка и Зеемана и других величин позволяют определить многие атомные параметры, такие как поляризуемость остова, конфигурационные взаимодействия и тонкое расщепление уровней. Все эти параметры можно рассчитать прн выборе подходящих приближений, поэтому зкспериментальные реаультаты позволяют провести сравнение теории с экспериментом.
С другой стороны, ридберговский атом легко можно подвергнуть внешнему возмущению, которое будет сильнее энергии связи электрона. Это приводит к появлению нового класса интересных явлений, среди которых — невозмущающне взаимодействия атома с полем, не существующие при обычных условиях.
Однофотонная спектроскопия, конечно, тоже применима для изучения ридберговских атомов, но число возбужденных состояний, которые можно зондировать этим методом, ограничено. Например, при однофотонном возбуждении типа пз- и'р можно достичь только р-состояния ридберговского атома л'. Многофотонная же спектроскопия позволяет зондировать и другие состояния ридберговского атома. Более того, сильно возбужденные ридберговские состояния очень близко расположены. Для их разрешения нужен спектр, свободный от доплеровского уширения. В гааовой кювете его можно получить только с помощью метода многофотонной спектроскопии., Объектом исследования прн изучении ридберговскнх атомов часто были атомы щелочных металлов. Рассмотрим выборочно несколько примеров, имеющих отношение к рассматриваемой проблеме.
Для изучения высоковозбужденных ридберговских состояний ряда атомов щелочных металлов исполъзовалась двухфотонная спектроскопия, свободная от доплеровского уширения. Например, в рубидии были прозондированы ридберговские состояния вплоть до и = Иб, причем в качестве источника накачки испольаовался узкополосный непрерывный лазер на красителе мощностью 50 мВт, а регистрация осуществлялась по схеме рис. $8.3 (3).
Чувствительность схемы регистрации в эксперименте можно еще больше увеличить с помощью техники синхронного детектирования. При п — ИЮ расстояние между последовательными ридберговскими состояниями составляет всего несколько десятков мегагерц. При меньших и можно разрешить состояния (пз) и (Ы), а также состояния, расщепленные за счет спин-орбитального взаимодействия. Разрешение компонент в последнем случае позволяет определить величину расщепления тонкой структуры (4]. При изменении и от 4 до 55 было обнаружено, что величина тонкого расщепления между компонентами *Р,,3 и 'Р,я состояний Ы рубидия подчиняется соотношению Ал~Д + Вя,Д, где А и  — постоянные, а я,зе — эффективное квантовое число, определяемое из соотношения Т = — Вя,Д, где  — постоянная Ридберга, а Т.— величина герма с главным квантовым числом я.
Полученные результаты дают хорошую воэможность проверить правильность различных теоретических расчетов. Можно исследовать также сдвиг и уширение ридберговскнх состояний с увеличением давления [5]. При малых значениях и эти зависимости можно зарегистрировать даже в диапавоне изменения давления порядка миллиторр. Были обнаружены сильные колебания ширины линии с ростом главного квантового числа, которые пока не получили теоретического обоснования.
Были также аккуратно измерены ридберговские состояния атомов щелочноземельных элементов, включая и состояния с двукратно возбужденными электронами [6]. В этих экспериментах использовались импульсные лазеры на красителе. Полученные результаты имеют особенно большое значение для обоснования теории многоканальных дефектов, разработанной Фано с сотрудниками [7]. Для ридбер гово ких состояний вследствие большого размера электронных орбит сильно выражены эффекты Штерна и Зеемана [8, 9]. При умеренных полях расщепление может превысить расстояние между ридберговскими состояниями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
