铽原子奇宇称能级自然辐射寿命的测量

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近一个多世纪来,人类对原子内部结构的研究产生了极大的兴趣,并且近年来激光技术的迅猛发展为深入研究原子内部结构提供了有力工具。激光光谱测量技术现已成为原子和分子物理领域不可或缺的技术手段。而在原子光谱数据中,原子和离子的辐射跃迁参数对天体光谱分析来说是一类极其重要的光谱学数据,其中包括能级的自然辐射寿命、分支比、跃迁几率和振子强度等。而对这些参数的研究有助于深入理解原子内部结构等。 而本文研究的铽原子(TbⅠ)作为第六周期元素,其核电荷数为65,电离极限为47294 cm-1,其基态电子组态为Af96s26H(15)/20,4f壳层未满,s电子及f电子都有可能被激发产生复杂的光谱性质,因此我们在某种程度上知道铽原子的光谱结构是很复杂的,并且很多已知的能级有很大的J值(甚至达到21/2)。尽管存在大量的铽原子的精细和超精细结构的光谱,但是对原子结构和光谱特性的研究还不充分,例如很多我们已知的能级还不能用原子标记法表示。因此,研究铽原子能级的基础性质(如自然辐射寿命,朗德因子等)是有重要意义的。 根据以上背景,本论文运用激光烧蚀原子束技术和时间分辨激光光谱技术以及现代原子结构理论,实验上采用一步激发的方式实现奇宇称能级的激发,从而测量铽原子的27个奇宇称的自然辐射寿命。 实验中,在真空系统中采用激光烧蚀技术(laser ablation),将脉宽为8 ns、重复率为10 Hz的可调Q型Nd3+:YAG 532 nm纳秒脉冲激光聚焦至铽原子样品上,产生激光诱导等离子体束。本文采用的激光脉冲能量大约是5-10 mJ,从而可以获得充足的处于亚稳态的铽原子。为了获得范围在362 nm~378 nm的可调谐紫外激发光,用输出波长为355 nm的Nd3+:YAG激光器来泵浦染料激光器,且在光路中安置一个BBO(偏硼酸钡)倍频晶体和一个高压拉曼氢气池,这样经过BBO晶体的倍频光通过氢气池后便得到一阶斯托克斯光,从而达到目的。 将可调谐激发激光作用到原子束等离子体上,由于自发辐射的作用,原子不能一直待在受激态上,要向较低能级发生跃迁,荧光信号也伴随着这个过程产生出来,并在垂直于激发光束和原子束方向探测激光诱导荧光的时间分辨信号,用单色仪收集荧光信号,并选择合适的观测波长。通过快速响应光电倍增管将单色仪出射的光信号转换放大为电信号,利用500 MHz数字存储示波器来观察荧光信号。通过Origin科学软件对荧光衰减曲线进行去卷积拟合,从而得到各能级的自然辐射寿命。 本实验测量了能级范围为27220~33293 cm-1的TbⅠ的27个奇宇称能级的寿命,其范围为6.5~43.9 ns。而所得的能级寿命不超过50 ns,结果中的25个寿命值是文献未见报道的。通过对以往文献的比较可知,用TR-LIF的方法Den Hartog等人测量出的TbⅡ的三个能级与用本文所测结果基本符合,从而证明了实验结果的正确性。 寿命测量值的准确度受到各种物理效应如碰撞效应、飞出视场效应、辐射陷阱效应和光电倍增管的非线性响应等的影响,对此本论文也做了相关分析论述,并且对相应的荧光信号及注意事项也做了分析。 本文测量研究的这些结果为铽原子的理论研究提供了数据,对原子结构及辐射跃迁性质有很深远的意义,并且辐射跃迁的数据对于运用天体谱线强度精确确定元素丰度值是至关重要。因此可知铽原子的能级结构参数在天体物理学、分析化学等学科领域都将具有较重要的参考价值,本论文结果也在相当程度上弥补了文献中锡原子能级结构特性参数上的缺乏,丰富了原子数据库。
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