Nghiên cứu các trạng thái kích thích 1 II và 1∑+ của phân tử nali bằng phương pháp phổ đánh dấu phân cực luận văn thạc sỹ vật lý

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BÙI CƠNG NGUN NGHIÊN CỨU CÁC TRẠNG THÁI KÍCH THÍCH 1n VÀ 1z+ CỦA PHÂN TỬ NALI BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ ĐÁN DẤU PHÂN CỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ VINH , 2011 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu sau đại học trường Đại học Vinh, tiếp thu nhiều kiến thức phong phú bổ ích nhờ giúp đỡ nhiệt tình từ Thầy giáo, Cơ giáo cán khác Trường Đại học Vinh Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc trước tinh thần giảng dạy tận tâm có trách nhiệm Thầy, Cơ giáo đặc biệt Thầy giáo PGS-TS Vũ Ngọc Sáu, Thầy giúp tơi định hướng đề tài, dẫn tận tình chu đáo dành nhiều công sức ưu cho tơi suốt q trình hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý, Ban chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau đại học tạo cho môi trường học tập nghiên cứu thuận lợi Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học 17-Quang học san sẻ vui, buồn vượt qua khó khăn học tập Với tình cảm trân trọng, tơi xin gửi tới gia đình, người thân u bạn bè giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Vinh, tháng 10 năm 2011 Bùi Công Nguyên MỤC LỤC Lời cảm ơn Mục lục Trang Mở đầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC PHỔ PHÂN TỬ DÙNG KỸ THUẬT PHỔ PHI TUYẾN 1.1 Bơm quang học .6 1.2 Kỹ thuật phổ đánh dấu phân cực 12 1.2.1 Nguyên lí 12 1.2.2 Biên độ tín hiệu phân cực 13 1.2.3 Cường độ tỉ đối vạch phổ 15 1.3 Kỹ thuật cộng hưởng kép quang học 18 Kết luận chương 19 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT CÁC TRẠNG THÁI KÍCH THÍCH BẬC CAO CỦA NaLi BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC 2.1 Một số vấn đề cấu trúc phổ phân tử hai nguyên tử 20 2.1.1 Phân loại trạng thái điện tử phân tử .20 2.1.2 Tương quan trạng thái phân tử với trạng thái nguyên tử 22 2.2 Khảo sát trạng thái kích thích bậc cao NaLi 24 2.2.1 Phân tử hai nguyên tử NaLi kích thích bậc cao 24 2.2.2 Kết thực nghiệm 25 2.2.3 Các trạng thái kích thích bậc cao NaLi 27 2.2.3.1 Trạng thái  28 2.2.3.2 Trạng thái  32  2.2.3.3 So sánh lý thuyết thực nghiệm .35 Kết luận chương 40 Kết luận chung .41 Tài liệu tham khảo 42 MỞ ĐẦU Trước phần lớn hiểu biết cấu trúc phân tử dựa phép đo quang phổ cách quan sát phổ phát xạ hấp thụ chúng Dựa vào số liệu phổ quan sát ( bước sóng, vị trí, cường độ, độ rộng vạch phổ) ta tiên đốn tính chất vật lí hóa học phân tử tính chất môi trường tạo nên từ phân tử Đồng thời, biết cấu trúc ta dự đốn trình động học phân tử điều kiện mơi trường khác (điều kiện kích thích, mơi trường bao quanh) Vì nghiên cứu cấu trúc phân tử đóng vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực Vật lí, Hóa học, Sinh học Nghiên cứu cấu trúc phân tử thường gặp nhiều khó khăn tính phức tạp tương tác điện tử với hạt nhân nguyên tử Trên phương diện lí thuyết, tốn hệ nhiều hạt giải phương pháp gần Đặc biệt áp dụng hệ phân tử phức tạp phân tử hai nguyên tử ( NaLi; NaK ) Một phương pháp nghiên cứu quang phổ đại dùng kỷ thuật phổ đánh dấu phân cực Phương pháp “phổ đánh dấu phân cực” đưa vào nghiên cứu từ năm 90 Ngày việc sâu tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp mơ hình phân tử cụ thể việc làm quan trọng ngành nghiên cứu quang phổ học quang phi tuyến Thông qua phương pháp phổ đánh dấu phân cực ta giải thích trạng thái kích thích bậc cao phân tử hai ngun tử Vì , chúng tơi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu trạng thái kích thích   + phân tử NaLi phương pháp phổ đánh dấu phân cực” làm đề tài luận văn nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề sau: + Trên sở lý thuyết Quang học phi tuyến Quang phổ học sâu tìm hiểu phương pháp phổ đánh dấu phân cực Ứng dụng phương pháp phổ đánh dấu phân cực để giải thích cấu trúc phân tử NaLi + Ứng dụng phương pháp để giải thích trạng thái kích thích bậc cao   + phân tử hai nguyên tử NaLi + So sánh kết từ thực nghiệm với sở lý thuyết phân tử NaLi kích thích bậc cao Luận văn trình bày hai chương, bao gồm: Chương 1: Phương pháp nghiên cứu cấu trúc phổ phân tử dùng kỹ thuật phổ đánh dấu phân cực: Chương tập trung nghiên cứu vấn đề sau: + Những nội dung chủ yếu phương pháp phổ đánh dấu phân cực phép đo phân tích phổ phân tử + Kết hợp với tương tác trạng thái xạ phân tử môi trường cộng hưởng kép quang học kỹ thuật phổ đánh dấu phân cực Từ cho phép xác định phổ phân tử cách đơn giản phù hợp với mục đích nghiên cứu Chương 2: Nghiên cứu phân tử NaLi trạng thái kích thích bậc cao, (1   +) Những kết thu là: + Đưa sơ đồ nghiên cứu phổ phân tử NaLi kích thích bậc cao dựa phương pháp phổ phân cực + Các kết thu từ thực nghiệm: Các sơ đồ đánh dấu trạng thái phụ thuộc vào số lượng tử dao động số lượng tử quay + So sánh với kết thu từ thực nghiệm kiểm chứng với kết dự đoán lý thuyết + Phương pháp phổ đánh dấu phân cực thành tựu đo phổ thập niên cuối kỷ XX phương pháp đại dựa lí thuyết quang phổ phân tử quang phi tuyến Với kết thực nghiệm phân tử NaLi khẳng định thêm tính đắn phương pháp Chương TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC PHỔ PHÂN TỬ DÙNG KỸ THUẬT PHỔ ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC 1.1 Bơm quang học Bơm quang học q trình ánh sáng sử dụng để nâng (hay bơm) electron từ mức lượng thấp tới mức lượng cao nguyên tử hay phân tử Công nghệ phát triển nhà vật lý Alfred Kastler Nó kích thích ánh sáng làm thay đổi mật độ cư trú mức lượng nguyên tử phân tử Khi sử dụng laser làm nguồn bơm, cường độ laser lớn nên có thay đổi lớn mật độ cư trú N i N i  N i trạng thái i từ giá trị ban đầu Ni0 (ở trạng thái cân nhiệt) đến giá trị không cân Ni Vì dịch chuyển huỳnh quang tuân theo quy tắc lọc lựa, thường dịch chuyển mức chọn m trình phát huỳnh quang nhờ laser bơm lên mức Mặc dù cường độ bơm yếu mật độ cư trú mức m đạt giá trị lớn Với nguồn bơm laser đạt mật độ cư trú lớn, so sánh với trạng thái hấp thụ Điều mở vài tiềm cho kĩ thuật thí nghiệm mới: Các mức phân tử kích thích lọc lựa phát phổ huỳnh quang đơn giản nhiều so với phát xạ phóng điện chất khí, số mức đạt mật độ cư trú Phổ huỳnh quang cảm ứng laser cho phép xác định số phân tử tất mức trạng thái thấp Mật độ cư trú trạng thái đủ lớn cho phép đo phổ hấp thụ dịch chuyển từ trạng thái lên mức cao Vì tất dịch chuyển hấp thụ mức chọn nên phổ hấp thụ đơn giản nhiều so với phóng điện chất khí Cư ờn g độ las er k1 Độ rộng phổ laser đa mode đường cong Doppler phân tử hấp thụ 1,5 GHz Hệ số hấ p th ụ k2 mode laser i2 i1 Tần số  Sự lọc lựa bơm quang học phụ thuộc vào độ rộng dải laser vào mật độ phổ hấp thụ Nếu vài vạch phổ hấp thụ chồng lên vùng độ rộng Doppler với đường cong phổ laser lớn dịch chuyển bơm đồng thời, nghĩa mật độ cư trú mức lớn mức (hình 1.1) Hình 1.1 Sự chồng lên vài vạch hấp thụ mở rộng Doppler với đường cong vạch phổ laser dẫn đến bơm quang học đồng thời mức Trong trường hợp phổ hấp thụ dày đặc bơm quang học với laser có độ rộng nhỏ Các chùm phân tử lạnh sử dụng để đạt lọc lựa mong muốn mật độ cư trú mức cao Nếu chùm laser đơn mode có tần số  phát theo hướng trục z qua buồng hấp thụ, có phân tử có vận tốc nhóm khoảng vz = ( - 0 )/k hấp thụ photon laser  dịch chuyển i  k với Ek  Ei  Như vậy, có phân tử có vận tốc nhóm khoảng kích thích Điều có nghĩa hấp thụ laser dị có dải hẹp điều hưởng phân tử kích thích để tạo tín hiệu cộng hưởng kép Doppler - tự Một khía cạnh quan trọng bơm quang học, với laser phân cực lọc lựa mật độ cư trú làm trống rỗng mật độ cư trú mức suy biến M J , M mức có mơmen góc J Các mức khác hình chiếu M  J lên trục lượng tử hoá Các nguyên tử phân tử với mật độ cư trú không đồng N(J,M) mức định hướng mơmen góc J ưu tiên phân bố đặc biệt, điều kiện cân nhiệt J định hướng theo tất hướng với xác suất nhau, tức phân bố ưu tiên đẳng hướng Việc chọn phân cực thích hợp laser bơm đạt cân mật độ cư trú bên cặp mức M với giá trị M Trong đó, mức với M khác có mật độ cư trú khác Đây gọi định hướng song song Chú ý rằng, định hướng định hướng song song tạo hai trạng thái dịch chuyển bơm chọn lọc mật độ cư trú M trạng thái thấp chọn lọc mật độ cư trú làm nghèo tương ứng với M (hình 1.2) J’=1 M’=-1 +1 -1    J’’=2 M’’=-2 -1 0 +1    +1 +2 -2 -1 +1 +2 10 a b Hình 1.2 Sự tích lũy (làm nghèo) mức trạng thái (trạng thái dưới) bơm quang học J”= lên J’=1 Hình (a) ứng với phân cực trịn phải, hình (b) ứng với phân cực trịn trái Đối với việc nghiên cứu định lượng bơm quang học, khảo sát trình bơm làm dịch chuyển mức J1M  J M Khi khơng có trường ngồi tất mức (2J+1) M bị suy biến mật độ cư trú chúng trạng thái cân nhiệt khơng có laser bơm N (J , M )  J N (J ) N ( J )  N (J , M ) với  2J 1 M  J (1.1) Sự giảm N1 ( J , M ) bơm quang học P12 P ( J1M  J M ) mơ tả phương trình tốc độ: d N1 ( J1 , M )  P12 ( N  N1 )   ( Rk1 N k  R1k N1 ) dt M k (1.2) Kể có bơm quang học (bao gồm phát xạ hấp thụ) tất q trình tích mà làm bù vào mức từ mức khác k làm nghèo mức Xác suất bơm quang học là: P12  J M D.E J M (1.3) Từ (1.3) ta thấy xác suất bơm quang học tỉ lệ với bình phương phần tử ma trận dịch chuyển phụ thuộc vào tích vơ hướng   D.E phần tử ... phổ đánh dấu phân cực ta giải thích trạng thái kích thích bậc cao phân tử hai ngun tử Vì , lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu trạng thái kích thích   + phân tử NaLi phương pháp phổ đánh dấu phân cực? ??... Chương KHẢO SÁT CÁC TRẠNG THÁI KÍCH THÍCH BẬC CAO CỦA NaLi BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ ĐÁNH DẤU PHÂN CỰC 2 .1 Một số vấn đề cấu trúc phổ phân tử hai nguyên tử 2 .1. 1 Các trạng thái điện tử phân tử ... phương pháp gần Đặc biệt áp dụng hệ phân tử phức tạp phân tử hai nguyên tử ( NaLi; NaK ) Một phương pháp nghiên cứu quang phổ đại dùng kỷ thuật phổ đánh dấu phân cực Phương pháp ? ?phổ đánh dấu phân