tóm tắt luận án xác định thế năng của phân tử nali ở trạng thái 21π dựa trên số liệu phổ đánh dấu phân cực

i B GIÁO DC VÀ ÀO TO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN TIẾN DŨNG XÁC ĐỊNH THẾ NĂNG CỦA PHÂN TỬ NaLi Ở TRẠNG THÁI 2 1 Π ΠΠ Π DỰA TRÊN SỐ LIỆU PHỔ ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.01.09 TÓM TT LUN ÁN TIN SĨ VT LÝ NGH Ệ AN, NĂM 2014 ii Công trình ưc hoàn thành ti: Khoa Vt lý và Cng ngh trưng i hc Vinh Ngưi hưng dn khoa hc: 1. PGS.TS. inh Xuân Khoa 2. TS. Nguyn Huy Bng Phn bin 1: Phn bin 2: Phn bin 3: Lun án s ưc bo v trưc Hi ng chm lun án cp Trưng hp ti Trưng i hc Vinh vào hi……… ….gi…………phút, ngày………tháng……….năm 2014 Có th tìm hiu lun án ti thư vin Quc gia và thư vin Nguyn Thúc Hào trưng i hc Vinh 1 TỔNG QUAN Trong lch s phát trin ca ph hc, có nhiu phương pháp xác nh th năng phân t theo s liu ph thc nghim như phương pháp RKR da trên lý thuyt chun c in, th năng ca phân t cũng có th ưc biu din theo các hàm gii tích (th Morse, th Lennard-Jones, v.v). Hin nay, phương pháp xác nh th năng có  tin cy cao nht là phương pháp nhiu lon ngưc (vit tt là IPA). n nay, mc dù ã có nhiu trng thái kích ca NaLi ưc nghiên cu (thm chí lên n trng thái 10 1 Σ + ) nhưng vn còn mt s trng thái thái kích thích thp chưa ưc nghiên cu, chng hn trng thái 2 1 Π. Gn ây, các nghiên cu lý thuyt ã cho thy ưng th năng trng thái 2 1 Π có hai cc tiu nên có th la chn trng thái 2 1 Π cho làm lnh phân t theo k thut liên kt quang. Tuy nhiên, khi so sánh nh lưng thì ưng th năng lý thuyt ưc tính toán trong hai công trình này sai lch nhau khá nhiu. V mt thc nghim, n nay, trng thái 2 1 Π mi ch ưc quan sát bng k thut ion hóa cng hưng 2 photôn bi Kappes nhưng chưa xác nh ưc cu trúc quay và chưa xác nh ưc chính xác th năng. Vì vy, mc dù trng thái 2 1 Π ca NaLi ha hn là i tưng thun li cho các nghiên cu làm lnh phân t nhưng hin vn chưa ưc mô t y  v cu trúc ph ca nó. Mc ích ca  tài là o ph ca NaLi  trng thái 2 1 Π bng k thut PLS, t ó xác nh chính xác ưng th năng ca trng thái này. T ưng th năng tìm ưc, gii phương trình Schrodinger theo bán kính (RSE)  xác nh phân b mt  ng vi các mc dao ng quay ca trng thái 2 1 Π. 2 Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHỔ PHÂN TỬ HAI NGUYÊN TỬ 1.1. Phân loại trạng thái điện tử Xét mt phân t hai nguyên t gm hai ht nhân A và B bao quanh bi các in t chuyn ng nhanh. B qua spin ht nhân (nguyên nhân gây ra cu trúc siêu tinh t ca các mc năng lưng) thì các mômen góc trong phân t s có ba loi: spin toàn phần S  ca các in t, mômen quỹ đạo toàn phần L  ca các in t và mômen quay R  ca c h phân t. Các trng thái in t ca phân t thưng ưc phân loi theo giá tr ca | M L | (theo ơn v ħ ) như sau: Λ = | M L |, Λ = 0, 1, 2 (1.1) tùy theo giá tr Λ = 0, 1, 2, 3,… các trng thái in t tương ng ưc ký hiu bi Σ, Π, ∆, Φ Các trng thái Π, ∆, Φ suy bin bi hai vì M L có th có hai giá tr +Λ và -Λ, còn trng thái Σ thì không suy bin. 1.2. Gần đúng Born - Oppenheimer i vi trng thái bi ơn (Σ = 0, Ω = Λ), chúng ta thu ưc phương trình RSE ưc rút gn: 2 2 2 , , , 2 [ ( 1) ] ( ) ( ) ( ) 2 v J v J v J d B J J U R R E R dR χ χ µ   − + + − Λ + =     ℏ . (1.2) 1.3. Phổ dao động Trong phép gn úng iu hòa, ph dao ng ch xy ra i vi các dch chuyn tha mãn quy tc lc la: " ' 1 v v v ∆ = − = ± , (1.3) 1.4. Phổ quay Kt qu tính toán cho thy rng, mômen lưng cc dch chuyn không trit tiêu: J = 0, ± 1 (1.4) M = M" – M' = 0, ± 1, (1.5) 3 trong ó, M = 0 i vi ánh sáng phân cc thng, M = +1 i vi ánh sáng phân cc tròn phi, M = -1 i vi ánh sáng phân cc tròn trái. 1.5. Phổ điện tử và nguyên lý Franck - Condon Cưng  ph ca dch chuyn gia hai trng thái in t ph thuc vào ba tha s sau ây: hệ số Franck-Condon, hệ số Honl – London và bình phương mômen lưỡng cực dịch chuyển điện tử 2 el mk D . Lý thuyt ã chng t mômen lưng cc dch chuyn ch khác không khi: 0, 1 ∆Λ = ± . (1.6) Biu thc (1.6) mô t quy tc lc la trong dch chuyn in t. T ây rút ra mt s dch chuyn gia các trng thái in t u tiên trong phân t: Σ ↔ Σ, Σ ↔ Π, Π ↔ Π, Π ↔ ∆ (1.7) 1.6. Khai triển Dunham Kt qu thu ưc s hng ph dưi dng: k i k i ike JJvYTJvT ])1([) 2 1 (),( 2 Λ−+++= ∑∑ , (1.8) vi Y ik {i = 0, 1, 2 ; k = 0, 1, 2 } ưc gi là các hệ số Dunham. 1.7. Xác định thế năng theo các hàm giải tích 1.7.1. Xác định thế năng dạng số 1.7.2. Thế RKR Mt trong nhng mô hình th năng dng s do Rydberg, Klein và Rees  xut (nên ưc gi là thế RKR. [ ] 0 1 2 1/2 2 ' ( ) ( ) ( ) ( ') v v dv R v R v G v G v β − = − ∫ (1.9) [ ] 0 ' 1/2 1 2 1 1 2 ' ( ) ( ) ( ) ( ') v v v B dv R v R v G v G v β + = − ∫ . (1.10) 1.7.3. Thế nhiễu loạn ngược Trong gn úng Born-Oppenheimer, trng thái in t ca phân t có 4 th ưc biu din theo phương trình RSE: , , , ˆ ( ) ( ) v J v J v J H R E R χ χ = (1.11) Gii phương trình RSE trong gn úng cp không, { ( ) , o v J E }s tương ng vi các tr riêng cp không. 2 2 2 ( ) (0) (0) (0) , , , 2 2 [ ( 1)] ( ) 2 2 o v J v J v J d J J U R E dR R χ χ µ µ   − + + + =     ℏ ℏ (1.12) Nu tp hp giá tr riêng { ( ) , o v J E } lch vi tp các giá tr thc nghim { ( ) , tn v J E } thì chúng ta thc hin tìm b chính cp mt (1) ˆ H ∆ cho ( ) ˆ o H : ( ) (1) ˆ ˆ ˆ o H H H = + ∆ (1.13) Theo lý thuyt gn úng on nhit, s không phù hp gia tr riêng khi gii phương trình Schrodinger vi giá tr thc nghim là do mt s tương tác (còn gi là tương tác không on nhit) ã b b qua trong phép gn úng BO. Vì vy, t biu thc (1.13) ta có th biu din (1) ˆ H ∆ bi (1) ˆ ( ) H U R q ∆ = ∆ + ∆ (1.14) vi ( ) U R ∆ và q ∆ tương ng là b chính cho hàm th năng ( ) ( ) o U R và h s liên kt lambda gia các trng thái quay q. Như vy, sau mt chu trình tìm b chính, hàm th năng mi ca phân t tương ng là : ( ) ( ) ( ) ( ) o U R U R U R = + ∆ (1.15) 1.7.4. Thế năng ngoài miền liên kết hóa học Thông thưng phn tm xa ca ưng th năng ưc cho bi công thc sau: ∑ −= k k k e R C DRU )( (1.16) T (1.16) chúng ta thy rng khi hai nguyên t ưc tách ra (R →∞ ) thì giá tr th năng bng năng lưng phân ly ca phân t. H s tán sc C k ưc xác nh theo các trng thái in t nguyên t mà ti ó các phân t phân ly. 5 Chương 2 PHỔ ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC CỦA NaLi 2.1. Phổ PLS của NaLi 2.1.1. Bố trí thí nghiệm Sơ  h thng thí nghim o ph phân t NaLi bng k thut PLS ưc mô t như trên Hình 2.1. Hình 2.1. Sơ  b trí thí nghim PLS o ph NaLi. Trong ó: laser 1 và laser 2 tương ng là laser bơm và laser dò; F là bn λ/4; P 1 và P 2 là hai kính phân cc bt chéo; MC là máy ơn sc; PMT là ng nhân quang in; FP là giao thoa k Fabry- Perot; PD là photodiode; bxc là b tích hp boxcar, HC là èn Hollow cathode. 2.1.2. Tạo các phân tử NaLi Trong thc t, vic to các phân t NaLi ( th hơi vi áp sut thp) t các khi cht Na và Li chúng tôi s dng lò nung ba ngăn có cu trúc ưc mô t ngn gn dưi ây (Hình 2.2). 6 Hình 2.2. Lò nung ba ngăn dùng  to mu NaLi. Thc t cho thy, các phân t NaLi ưc to ra  trung tâm ca lò nung khi nhit  các ngun nung T 1 = 650 0 C và T 2 = 390 0 C. Các phân t NaLi ưc to ra ch yu  vùng gia ca ng và có th ưc duy trì trong vài gi. 2.1.3. Quy trình đo phổ NaLi Trong thc t, chúng tôi ã thc hin 25 phép o ng vi 25 bưc sóng khác nhau ca chùm laser dò. Vi các phép o này, chúng tôi ã quan sát ưc khong 800 vch ph. Cn chú ý rng, do laser dò có  rng ph c 0,5 cm -1 nên có mt s trưng hp nó kích thích ng thi hai dch chuyn (dn n có hai mc ánh du). Chi tit các bưc sóng ca chùm laser dò ã ưc s dng ng vi các mc ánh du ưc lit kê trong Bng 2.1. 7 Bảng 2.1. Vch laser dò vi các mc ánh du (ν, J) tương ng S sóng ca laser dò Mc ánh du (v, J) S sóng ca laser dò Mc ánh du (v, J) 15.433,42 cm -1 (0,3) 15.544,80 cm -1 (0, 21) 15.083,76 cm -1 (0,5) 15.463,80 cm -1 (1, 21), (1, 56) 15.435,14 cm -1 (0,6) 15.390,05 cm -1 (0, 22) 15.074,04 cm -1 (0,7) 15.385,30 cm -1 (0, 23) 15.594,71 cm -1 (0,9) 15.427,50 cm -1 (0, 24) 15.425,10 cm -1 (0,12) 15.521,20 cm -1 (0, 25), (1, 10) 15.401,00 cm -1 (0,15) 15.440,20 cm -1 (1, 25) 15.565,40 cm -1 (0,17) 15.493,50 cm -1 (0, 29), (0, 47) 15.484,20 cm -1 (1,17) 496,5 nm (0, 30) 15.560,60 cm -1 (0,18), (0,45) 15.357,16 cm -1 (2, 30) 15.402,96 cm -1 (0,19) 15.303,60 cm -1 (2, 33), (1, 46) 15.303,60 cm -1 (1,19) 15.357,16 cm -1 (1, 36) 15.398,88 cm -1 (0,20) 2.2. Định cỡ phổ PLS V mt nh lưng, ta s dng các h thc sau ây. 1 1 1 [ ] [ ] . FP FP n cm cm FSR n ω ω − − = + (2.1) 1 1 1 1 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] HC FP j n HC FP j FP FP n n step step cm cm FSR n step step ω ω ω ω ω ω − − +   − = + +     −   (2.2) 1 1 1 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] MOL FP MOL FP i n i n FP FP n n step step cm cm FSR step step ω ω ω ω ω ω − − + − = + − , (2.3)  ây [ ] FP n step ω và 1 [ ] FP n step ω + là nhng v trí vân giao thoa th n và n+1 nm v hai phía ca im cn tính [ ] MOL i step ω . Gii h phương trình tuyn tính (2.1) - (2.2) ta tính ưc FSR and 1 1 [ ] FP cm ω − . T ó, ta có th tính ưc s sóng ca ph PLS theo công thc (3.3). 8 Chương 3 XÁC ĐỊNH THẾ NĂNG CỦA PHÂN TỬ NaLi 3.1. Số liệu phổ thực nghiệm Chúng tôi ã xác nh ưc 30 dãy dao ng (ng vi 30 mc ánh du) vi tng cng gn 800 vch ph. Chi tit v phân b trưng s liu theo các s lưng t dao ng và s lưng t quay trong trng thái in t 2 1 Π ưc mô t trên Hình 3.1. Hình 3.1. Phân b trưng s liu tương ng vi s lưng t dao ng v’ và s lưng t quay J’ ca NaLi  trng thái 2 1 Π. 3.2. Xác định thế năng của NaLi ở trạng thái 2 1 Π 3.2.1. Các hằng số phân tử Chúng tôi ã xác nh ưc tp hp ti ưu các hng s phân t ca trng thái 2 1 Π ng vi  lch quân phương không th nguyên σ = 0,62 như trên Bng 3.1. [...]... chính xác hóa được các hệ số tán sắc Cn – là các thông số chính để xác định “va chạm” giữa các nguyên tử Na và Li Đường thế năng IPA thu được trong đề tài này là đường thế năng chính xác nhất đến thời điểm hiện tại cho phân tử NaLi ở trạng thái điện tử 21Π Một kết quả quan trọng của đề tài là từ số liệu phổ đã cho thấy sự tồn tại một hàng rào thế nhỏ xen giữa hai cực tiểu của đường thế năng của NaLi ở trạng. .. khẳng định đường thế năng của trạng thái 21Π có một hàng rào thế (mức dao động v = 16 nằm cao hơn giới hạn phân li) 21 Mặc dù số liệu phổ thực nghiệm chỉ bao phủ được miền thế năng đến giới hạn R = 7,1Å nhưng sử dụng phương pháp IPA, chúng tôi đã xác định được thế năng của phân tử NaLi ở trạng thái 21Π đến giới hạn 16Å Việc xác định được thế năng trong miền khoảng cách lớn giữa hai hạt nhân nguyên tử. .. này chứng tỏ thế năng của NaLi ở trạng thái 21Π có một hàng rào thế ứng với một cực đại xen giữa cực tiểu và giới hạn phân li Tuy nhiên, thế RKR như trên Hình 3.6 không thể hiện được dáng điệu của hàng rào thế này Để kiểm tra độ chính xác của thế năng RKR, chúng tôi cộng năng lượng điện tử Te của trạng thái 21Π vào thế năng RKR, sau đó thay vào phương trình RSE và tiến hành giải bằng số theo phương... 800 vạch phổ PLS đã được sử dụng để xác định chính xác các đặc trưng phổ của phân tử NaLi Dựa trên khai triển thế năng theo chuỗi lũy thừa, tập hợp 16 hằng số phân tử cùng với hệ số lambda kép đã được xác định với độ lệch quân phương không thứ nguyên σ = 0,62 Các hằng số phân tử đã mô tả một cách đơn giản số hạng phổ của trạng thái 21Π và các đặc trưng về cấu trúc: độ dài liên kết, năng lượng phân li,... vẽ trên Hình 3.4 Hình 3.4 Thế IPA của NaLi ở trạng thái 21Π Để thấy rõ hàng rào thế gần giới hạn phân li, chúng to vẽ phóng to thế IPA trong miền 7 ≤ R ≤ 16 Å như trên Hình 3.5 Từ hình vẽ này ta thấy rằng, đường thế năng có hàng rào thế cao hơn giới hạn phân li cỡ 10 cm-1 16 Hình 3.5 Phần hàng rào thế của thế IPA của NaLi ở trạng thái 21Π Với đường thế năng thu được, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của. .. trạng thái 32P1/2 để từ đó kết hợp với nguyên tử lạnh Li ở trạng thái cơ bản (22S1/2) thành phân tử lạnh NaLi có phân bố cư trú tập trung tại cực tiểu thứ hai (bên ngoài hàng rào thế) Nhờ hiệu ứng xuyên hầm, phân tử NaLi sẽ chuyển từ các trạng thái dao động ở trong cực tiểu thứ hai về các trạng thái dao động cực tiểu thứ nhất, sau đó phát huỳnh quang để trở về trạng thái điện tử cơ bản 11Σ+ (trạng thái. .. quay lên đường thế năng của phân tử Sử dụng biểu thức thế hiệu dụng, chúng tôi vẽ đường thế năng hiệu dụng ứng với các trạng thái quay J’ = 1, 30, 45 và 57 (là các giá trị thực nghiệm) như trên Hình 3.6 Hình 3.6 Thế hiệu dụng của NaLi ở trạng thái 21Π ở các trạng thái quay J’ = 1, 30, 45 và 57 17 Với đường thế năng IPA đã thu được, chúng tôi kiểm tra độ tin cậy của các tính toán lí thuyết bởi nhóm Mabrouk... giá trị năng lượng phân li của NaLi ở trạng thái 21Π là: De[21Π] = 1760 ± 1,5 cm-1 (3.2) Ở đây, đóng góp vào sai số của De[21Π] chủ yếu do sai số khi xác định De(11Σ+) là 1,0 cm-1 và sai số khi xác định giá trị của Te [21Π] trong công trình này là 0,5 cm-1 Lấy giá trị hằng số quay Y01 = 0,221655 cm-1 trong Bảng 3.1, ta tính được: Re = 3,728973 Å (3.3) Để kiểm tra các hằng số phân tử thu được trên đây... dao động và năng lượng điện tử của NaLi ở trạng thái 21Π Mặt khác, các hằng số phân tử này được lựa chọn để tính thế năng theo phương pháp RKR Sử dụng phương pháp chuẩn cổ điển WKB, thế năng của phân tử NaLi (thế RKR) đã được xác định theo 17 cặp điểm quay đầu và một cực tiểu ứng với độ dài liên kết Re = 3,728973 Å Mặc dù thế RKR thu được trong trường hợp này chưa thể biểu diễn tốt trường số liệu thực... trạng thái 21Π Việc xác định được hàng rào thế xen giữa hai cực tiểu là một đặc điểm thú vị không chỉ bởi tính “kì dị” của thế năng mà còn là cơ sở để có thể lựa chọn trạng thái điện tử 21Π mà tại đó có thể tạo phân tử lạnh NaLi từ các nguyên tử Na và Li theo kỹ thuật phổ liên kết quang (photoassociation spectroscopy) Theo đó, có thể kích thích các nguyên tử lạnh Na từ trạng thái cơ bản (32S1/2) lên trạng . XÁC ĐỊNH THẾ NĂNG CỦA PHÂN TỬ NaLi Ở TRẠNG THÁI 2 1 Π ΠΠ Π DỰA TRÊN SỐ LIỆU PHỔ ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.01.09 TÓM TT LUN ÁN TIN SĨ. năng bng năng lưng phân ly ca phân t. H s tán sc C k ưc xác nh theo các trng thái in t nguyên t mà ti ó các phân t phân ly. 5 Chương 2 PHỔ ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC CỦA NaLi. Chương 3 XÁC ĐỊNH THẾ NĂNG CỦA PHÂN TỬ NaLi 3.1. Số liệu phổ thực nghiệm Chúng tôi ã xác nh ưc 30 dãy dao ng (ng vi 30 mc ánh du) vi tng cng gn 800 vch ph. Chi tit v phân