Ứng dụng kĩ thuật phổ phân cực vào nghiên cứu cấu trúc phổ nguyên tử rb

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH HỒ THỊ PHƢƠNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PHỔ PHÂN CỰC VÀO NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC PHỔ NGUYÊN TỬ Rb CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS ĐINH XUÂN KHOA Nghệ An, 2015 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Vinh, Phòng Đào đào tạo Sau đại học, Khoa Vật lý Công nghệ, giảng viên chuyên ngành Quang học giảng dạy cho nhiều kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi q trình học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn GS.TS Đinh Xuân Khoa giúp định hướng đề tài, dẫn tận tình chu đáo, dành nhiều công sức thời gian cho suốt q trình thực hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Huy Bằng TS Mai Văn Lƣu nhóm nghiên cứu sinh tạo điều kiện, hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình cho tơi suốt thời gian làm thực nghiệm phịng thí nghiệm Quang học - Quang phổ trường Đại học Vinh Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn thầy giáo, giáo hội đồng bảo vệ có nhiều đóng góp dẫn q báu để giúp tơi hồn thiện luận văn Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học 21 - Quang học chia sẽ, trao đổi kiến thức trình học tập Với tình cảm trân trọng, tơi xin gửi tới gia đình động viên, đồng hành vượt qua khó khăn, tạo điều kiện thuận lợi để tơi học tập nghiên cứu inh th ng năm 2015 Tác giả Hồ Thị Phƣơng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƢƠNG I CẤU TRÚC NĂNG LƢỢNG NGUYÊN TỬ 1.1 Cấu trúc thô 1.1.1 Phương trình Schrodinger cho nguyên tử điện tử .4 1.1.2 Các mức lượng 1.2 Cấu trúc tinh tế .8 1.2.1 Tương tác spin – quỹ đạo 1.2.2 Sự tách mức lượng 10 1.3 Cấu trúc siêu tinh tế 11 1.3.1 Tương tác momen từ hạt nhân với momen từ điện tử 11 1.3.2 Sự tách siêu tinh tế mức lượng 11 1.3.3 Quy tắc lọc lựa 13 1.4 Các mức lượng Rb 13 1.5 Tương tác nguyên tử với trường laser 17 1.5.1 Tương tác nguyên tử với xạ điện từ 17 1.5.2 Hấp thụ tuyến tính hấp thụ phi tuyến 18 1.5.3 Độ rộng vạch phổ .23 KẾT LUẬN CHƢƠNG 27 CHƢƠNG KỸ THUẬT PHỔ PHÂN CỰC 28 2.1 Nguyên lí 28 2.2 Công tua vạch phổ 30 2.3 Độ nhạy kỹ thuật phổ phân cực 33 KẾT LUẬN CHƢƠNG 37 CHƢƠNG PHỔ PHÂN CỰC CỦA NGUYÊN TỬ Rb 38 3.1 Hệ thống thiết bị đo phổ laser kỹ thuật phổ phân cực .38 3.1.1 Sơ đồ quang học .38 3.1.2 Nguồn laser .39 3.1.3 Các linh kiện quang 40 3.2 Tiến hành thực nghiệm .49 3.3 Phổ phân cực nguyên tử Rb 54 KẾT LUẬN CHƢƠNG 59 KẾT LUẬN CHUNG 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 62 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ mức lượng nguyên tử hiđrô Hình 1.2 Cấu trúc lượng nguyên tử Hyđrô 12 Hình 1.3 Một vạch đơn (a) vạch kép (b) phổ nguyên tử kim loại kiềm thổ .13 Hình 1.4 Các mức lượng dịch chuyển D2 87Rb .15 Hình 1.5 Các mức lượng dịch chuyển D2 85Rb .16 Hình 1.6 Sơ đồ dịch chuyển mức lượng siêu tinh tế 85Rb 87Rb 17 Hình 1.7 Các trình hấp thụ, xạ tự phát xạ cưỡng .17 Hình 1.8 Biểu diễn bề rộng vạch phổ Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Mối liên hệ mở rộng tự nhiên với độ rộng lượng mức |i) |k) 24 Hình 1.10 So sánh độ rộng Doppler (tuân theo phân bố Gauss) độ rộng tự nhiên (tuân theo phân bố Lorentz) .26 Hình 2.1 Phổ phân cực 28 Hình 2.2 Cường độ tín hiệu phổ phân cực .34 Hình 2.3 Dịch chuyển 5S1/2  5D5/2 nguyên tử Rb 36 Hình 3.1 Sơ đồ quang học kỹ thuật phổ phân cực 38 Hình 3.2 Laser diode ECD – 003 39 Hình 3.3 Diode Laser Controller – 502 40 Hình 3.4 Photodetector 42 Hình 3.5 Photodiode phản ứng quang phổ, lọc tiêu chuẩn (a) khơng lọc (b) .42 Hình 3.6 Mẫu ngun tử Rubidium 43 Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện: cuộn dây sơ cấp quấn 5-10 vòng, cuộn dây thứ cấp quấn 120-200 vòng 43 Hình 3.8 Máy đo bước sóng WaveMaster™ đầu dị bước sóng 44 Hình 3.9 Chương trình Labview .45 Hình 3.10 Agilent’s 3000 Series oscilloscopes 45 Hình 3.11 Phần mềm DSO3000 46 Hình 3.12 Kính phân cực GTH 10M giá quay model PR1 46 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý phần tư bước sóng 47 Hình 3.14 Gương phản xạ KM100T 48 Hình 3.15 Bộ tách chùm sơ đồ nguyên lý tách chùm 48 Hình 3.16 Kết nối Diode Laser Controller với thiết bị khác 49 Hình 3.17 Sơ đồ khung 50 Hình 3.18 Sơ đồ thực nghiệm 51 Hình 3.19 Phổ hấp thụ bão hịa tất mức tinh tế chuyển tiếp 53 Hình 3.20 Cấu trúc phổ nguyên tử Rb 56 Hình 3.21 Phổ siêu tinh tế nguyên tử Rb 58 MỞ ĐẦU Nghiên cứu cấu trúc bên nguyên tử có vai trị quan trọng việc giải thích dự đốn tính chất lý, hóa ngun tử Khi biết cấu trúc phổ nguyên tử biết trạng thái lượng tử nguyên tử tham gia vào dịch chuyển phổ, hiểu biết tập hợp trạng thái cho ph p ta tiên đốn tính chất vật lí hóa học ngun tử, tính chất mơi trường tạo từ ngun tử Đồng thời, biết cấu trúc phổ ta tiên đốn q trình động học nguyên tử điều kiện môi trường khác (điều kiện kích thích, mơi trường khác nhau) Vì vậy, nghiên cứu cấu trúc ngun tử đóng vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực, đặc biệt Vật lí, Hóa học, Sinh học Phổ chất đặc trưng quan trọng chất Trong tự nhiên, khơng tồn hai chất có vạch phổ giống nhau, điều sở phân tích phổ, chất nhận biết dựa theo vạch phổ chúng Phổ nguyên tử ion có điện tử hóa trị loại phổ đơn giản Chúng thuộc nguyên tử Hidro kim loại kiềm, cấu trúc điện tử chúng tương tự nhau: lớp điện tử lấp đầy có điện tử hóa trị ns ngồi Ngày nay, phổ kim loại kiềm xác định chi tiết Vì vậy, vấn đề đặt cần phải biết thông tin cấu trúc phổ để thiết lập thông số cho thực nghiệm Nghiên cứu cấu trúc tính chất nguyên tử thường gặp nhiều khó khăn tính phức tạp tương tác điện tử điện tử với hạt nhân nguyên tử Trên phương diện lý thuyết, toán hệ nhiều hạt giải phương pháp gần đúng: từ mơ hình ngun tử Bohr, giải phương trình Schrodinger theo bán kính để xác định số hạng phổ sau mở rộng cho hệ phức tạp Về mặt thực nghiệm, việc nghiên cứu cấu trúc bên nguyên tử thường thực thông qua ph p đo quang phổ cách quan sát phổ phát xạ hấp thụ dựa tương tác vật chất với xạ (bước sóng, phân bố phổ, cường độ vạch phổ, độ rộng vạch phổ) Việc nghiên cứu quang phổ vạch xạ hấp thụ phương pháp nghiên cứu quang phổ tinh vi Tuy nhiên, kỹ thuật phổ thông thường gặp phải khó khăn lớn nghiên cứu cấu trúc siêu tinh tế ngun tử chuyển động nhiệt khơng ngừng nguyên tử gây mở rộng Doppler có độ rộng phổ lớn nhiều so với độ rộng mức siêu tinh tế dẫn đến hình ảnh mức siêu tinh tế bị nhịe khơng quan sát Để khắc phục khó khăn trên, phương pháp quang phổ xác với kỹ thuật phổ phân giải cao sử dụng tia laser hình thành Năm 1976, nhóm nghiên cứu Wieman Hänsch đề xuất kỹ thuật phổ phân cực Đây loại phổ có độ phân giải cao (dưới giới hạn Doppler), bố trí đơn giản, tỷ số nhiễu tín hiệu thấp, có độ nhạy cao Ở Việt Nam, việc ứng dụng kỹ thuật phổ laser vào nghiên cứu cấu trúc tính chất nguyên tử tiến hành số trung tâm, viện nghiên cứu trường đại học Đặc biệt, gần thiết bị thí nghiệm đại quang học - quang phổ đầu tư Trường Đại học Vinh Đây hội thuận lợi cho việc triển khai nghiên cứu lĩnh vực Hiện nay, Rb nguyên tử kim loại kiềm ứng dụng nhiều kỹ thuật làm lạnh nguyên tử laser Khi đó, tần số laser lựa chọn để kích thích dịch chuyển vạch D2 (nS1/2 → nP3/2) nguyên tử Rb, độ rộng vạch laser phải nhỏ khảng cách hai mức siêu tinh tế phải lựa chọn mức siêu tinh tế dịch chuyển nguyên tử Rb Để tìm hiểu lĩnh vực quang học – quang phổ cách cụ thể, đặc biệt với cấu trúc nguyên tử Rb, chọn đề tài “Ứng dụng kỹ thuật phổ phân cực vào nghiên cứu cấu trúc phổ nguyên tử Rb” làm đề tài luận văn tốt nghiệp Luận văn trình bày bao gồm phần mở đầu, phần nội dung phần kết luận chung Phần nội dung gồm có ba chương: - Chương 1: Trình bày sở lý thuyết liên quan đến cấu trúc lượng nguyên tử cấp độ khác nhau; tương tác nguyên tử với trường laser; mở rộng vạch phổ - Chương 2: Tìm hiểu kĩ thuật phổ phân cực: nguyên lý kĩ thuật phổ phân cực, tính tốn cơng tua vạch phổ xác định chi tiết độ nhạy kĩ thuật phổ phân cực - Chương 3: Trên sở thiết bị thí nghiệm, chúng tơi xây dựng hệ thống đo phổ phân cực cho nguyên tử Rb: lắp ráp tinh chỉnh hệ thống sơ đồ quang học; tiến hành thí nghiệm, xác định cấu trúc phổ nguyên tử Rb CHƢƠNG I CẤU TRÚC NĂNG LƢỢNG NGUYÊN TỬ 1.1 Cấu trúc thô 1.1.1 Phương trình Schrodinger cho nguyên tử điện tử X t ngun tử có điện tử (có điện tích –e khối lượng me) chuyển động xung quanh hạt nhân có điện tích +Ze Hạt nhân có khối lượng lớn so với khối lượng electron nên coi hạt nhân đứng yên, electron chuyển động trường xuyên tâm Trong trường xuyên tâm, Hamiltonian xác định bởi: Hˆ   2me   V (r ) (1.1) Phương trình Schrodinger có dạng :  2 Ze        r   E r  4 r   me (1.2) tương tác Coulomb điện tích với hạt nhân V (r ) có tính đối xứng cầu Trong toạ độ cầu r , ,   , hamiltonian trở thành: Hˆ       Lˆ  ,   V r  r  2me r r  r  2me r 2 (1.3) Do  Lˆ2 , Lˆz    Hˆ , Lˆ2    Hˆ , Lˆz   nên trường đối xứng tâm, toán tử Lˆ2 , Lˆz với lượng bảo toàn Hàm sóng toạ độ cầu có dạng:  nlm r, ,    Rnl r lm  ,   (1.4) với Rnl r  hàm bán kính r; lm  ,   hàm cầu Phương trình Schrodinger trở thành:      Lˆ2  r   V  r   Rnl  r   lm  ,   Εn Rnl  r   lm  ,     2  2me r r  r  2me r  (1.5) Chú ý Lˆ2  lm  ,    l (l  1)  lm  ,   , ta được: 2  l  l  1   Ze2   r     Rnl  r   Εn Rnl  r    2 m r  r  r m r (4  ) r   e e   (1.6) 50 thấu kính có tác dụng mở rộng chùm tia để dễ dàng điều chỉnh hai tia trùng Thấu kính đặt cuối đường chùm bơm để đảm bảo hạn chế tối đa mát lượng tương tác với môi trường Bộ điều khiển laser Laser TK TC50/50 M1 M3 TC90/10 M2 Hình 3.17 Sơ đồ khung Thiết đặt dụng cụ quang đường tia sáng hình vẽ cho tia sáng truyền qua tâm dụng cụ quang Hoàn chỉnh lắp ráp tinh chỉnh đường chùm tia Đặt hai kính phân cực λ/4 cho chùm dò phân cực thẳng chùm bơm phân cực tròn tương tác với buồng mẫu Đặt đầu dị bước sóng cho tia sáng truyền qua đầu dò phản xạ phần vào sợi quang, đồng thời kiểm tra thông báo hiển thị máy đo bước sóng để xác định số bước sóng tia laser 51 Hình 3.18 Sơ đồ thực nghiệm Kết nối máy sóng với điều khiển laser: kênh “1” nối với “CHANNEL A”, kênh “2” nối với “CHANNEL B”, cổng “Ext Trig” nối với “TRIG” Bật nguồn máy sóng, máy hoạt động nút “Run/Stop” có màu xanh hoạt động chế độ “Single” Theo dõi tín hiệu hình hiển thị máy đo bước sóng máy hiển thị sóng Các tần số laser qu t Nếu xuất đường thẳng 52 máy hiển thị sóng, với tất thứ liên kết nối cách, có nghĩa tia không hấp thụ Điều dải tần số chùm tia không trùng với cộng hưởng chuyển tiếp nguyên tử Thay đổi tần số laser cách từ từ điều chỉnh dòng điện đến laser diode Điều thực cách xoay núm "Current" hộp điều khiển đưa tần số laser đến gần với tần số Rb (780,241 nm/vac) Một xem tính hấp thụ máy hiển thị sóng, ngừng điều chỉnh dịng điện Để có nhìn tốt quang phổ, điều chỉnh phạm vi tần số mà tia laser qu t mà khơng điều chỉnh dịng điện cách xoay núm “Frequency” Điều chỉnh cường độ tín hiệu cách vặn núm “Span” theo chiều kim đồng hồ để tăng cường độ tín hiệu ngược lại Thay đổi biên độ trình qu t cho ph p "zoom" vào quang phổ Có thể thay đổi quy mơ trục ngang dọc dụng cụ quang Quy mô trục ngang “Horizontal” thay đổi cách chuyển núm “Scale” để tăng giảm tỉ lệ “time/div” Quy mơ trục thẳng đứng “Vertical” thay đổi cách điều chỉnh núm “Scale” để tăng giảm tỉ lệ “volts/div” 10 Khi máy hiển thị sóng kích hoạt sử dụng cách, ta quan sát phổ hấp thụ có chứa tính Doppler tự tương ứng với cấu trúc siêu tinh tế mức lượng quan sát Để suy tách lớp siêu tinh tế mức, cần phải đo độ lệch tần số hai đỉnh liền kề tương ứng với hai mức siêu tinh tế lân cận Trên máy hiển thị sóng, đỉnh có khoảng cách trục ngang tương ứng với thời gian cần cho tần số laser để qu t từ đỉnh đến đỉnh Vì trục ngang hiệu chuẩn theo đơn vị thời gian, xác định tách lớp siêu tinh tế trực tiếp từ hình ảnh dụng cụ quang Tuy nhiên, hấp thụ chùm hàm tần số laser, tần số laser hàm thời gian Với đủ điều chỉnh trên, bạn có quang phổ mà trơng khoảng hình 53 Hình 3.19 Phổ hấp thụ bão hịa tất c c mức tinh tế chuyển tiếp S1/2 → 2P3/2 cho 85Rb 87Rb [6] 11 Xoay kính phân cực P2 thay đổi lượng ánh sáng đến máy dò, xem tác dụng tín hiệu điện áp máy sóng để xác định mặt phẳng phân cực tương tác bất đẳng hướng chùm bơm chùm dò cho tín hiệu thu có cường độ lớn Khi đó, ta thu phổ nguyên tử Rb kỹ thuật phổ phân cực  Một số ƣu ý thực hành c c yếu tố ảnh hƣởng tới kết thí nghiệ : - Quãng đường tia sáng dài mát lượng lớn ma sát tia sáng khơng khí Cần phải thiết kế vị trí thiết bị bàn quang học trước tiến hành lắp đặt, bố trí dụng cụ quang cho tiết diện bàn quang học sử dụng nhỏ tốt - Từ cách bố trí dụng cụ quang, cường độ chùm bơm chùm dò giảm nhiều truyền qua tách chùm, nên cường độ tia đánh máy dị yếu - Các yếu tố bên ngồi ảnh hưởng trực tiếp tới phổ nguyên tử ánh sáng, âm thanh, rung lắc, độ ẩm,… thể rõ - Nhiệt độ môi trường thay đổi, nhiệt độ thiết bị phát thu tia laser tăng lên - Sự dao động cường độ chùm tia laser… 54 Những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp gây nhiễu tín hiệu phổ thu được, cần phải ý để hạn chế ảnh hưởng yếu tố q trình tiến hành thực nghiệm 3.3 Phổ phân cực c a nguyên tử Rb Tia laser có cường độ I phát từ laser diode, đường tia sáng điều chỉnh gương phản xạ gần hoàn toàn đặt cho tia tới tia phản xạ gương vng góc với Khi qua tách chùm 90/10, tia sáng tách thành hai chùm tia vng góc với Tia phản xạ có cường độ yếu 10 I qua kính phân cực P1 trở thành phân cực thẳng hoàn toàn vào buồng mẫu gọi chùm dò Tia truyền qua có cường độ 90 I0 qua sóng λ/4 chuyển thành phân cực trịn, tiếp tục phản xạ gương M tách chùm 50/50 đến buồng mẫu gọi chùm bơm Hai chùm có tần số với tia laser Bước sóng chùm tia laser phát xác định xác đầu dò kết nối với máy đo bước sóng Chùm bơm chùm dị truyền theo hai hướng ngược qua buồng mẫu đường truyền trùng Trong buồng mẫu, hai chùm tia tương tác với nguyên tử Khi  = 0 (tần số laser trùng với tần số nguyên tử Rb) xảy cộng hưởng, hai chùm bơm chùm dò tương tác với ngun tử có vận tốc khơng dọc theo trục z qua tế bào Chùm bơm kích thích q trình dịch chuyển nguyên tử với vz = 0, bơm chúng khỏi trạng thái Chùm dò phát hấp thụ chùm bơm Khi laser cộng hưởng với nguyên tử có vz = 0, làm giảm mạnh hấp thụ (tương ứng tăng mạnh tín hiệu) Khi nguyên tử bơm khỏi trạng thái hấp thụ photon từ chùm dò cộng hưởng nên cường độ chùm dò qua buồng mẫu lớn Nếu laser tắt cộng hưởng, tính khơng xảy ra, phổ khơng có tính Doppler tự Nếu tần số laser dao động, qu t qua tần số ω0, sóng có tần số trùng với tần số dao động riêng hạt mạng điện Rb gây dao động cộng hưởng hạt Năng lượng sóng điện từ chuyển thành 55 động phân tử Do đó, sóng có tần số nói bị môi trường hấp thụ mạnh Trong phổ ánh sáng qua buồng mẫu, nơi tương ứng với sóng có tần số trên, ta quan sát tín hiệu hấp thụ mở rộng Doppler với gia tăng đỉnh tín hiệu, tương ứng với q trình dịch chuyển siêu tinh tế Kính phân cực P2 có tác dụng xác định mặt phẳng phân cực quay sau hai chùm tia qua mẫu bất đẳng hướng Sự quay mặt phẳng phân cực giải thích: tia phân cực thẳng vào buồng mẫu tách thành hai tia phân cực tròn theo chiều ngược nhau, khỏi buồng mẫu chúng lại cho tia sáng phân cực thẳng Trong buồng mẫu, vận tốc lan truyền tia phân cực tròn theo chiều khác khác Do đó, mặt phẳng phân cực chùm tia laser quay góc mặt phẳng phân cực chùm tia laser vào Xoay kính phân cực P2 đến vị trí cho cường độ chùm tia laser qua photodetector lớn nhất, nghĩa tín hiệu thu có cường độ lớn Khi đó, ta quan sát phổ phân cực nguyên tử Rb với dịch chuyển siêu tinh tế tương ứng với tách mức lượng cách rõ ràng Hãy xem x t trạng thái F = 87Rb F = 85Rb: - Nếu không sử dụng chùm bơm, người ta thấy tín hiệu mở rộng Doppler có chứa khơng có tín hiệu ba dịch chuyển siêu tinh tế riêng biệt tương ứng từ mức F = lên mức F’= 1, F’ = F’= 87Rb ba dịch chuyển siêu tinh tế từ mức F = lên mức F’= 2, F’ = F’= 85Rb Như vậy, mở rộng Doppler vạch phổ che khuất số dịch chuyển phổ có khoảng cách lượng bé (giữa mức siêu tinh tế) - Khi khơng có kính phân cực P2, chùm bơm chùm dị sử dụng, tín hiệu thu phổ hấp thụ bão hịa ngun tử Rb, có tính Doppler tự tương ứng với ba dịch chuyển siêu tinh tế Các đỉnh nhọn tín hiệu hấp thụ mở rộng Doppler tương ứng với trình dịch chuyển siêu tinh tế Trong đó, tín hiệu thu có dịch chuyển siêu tinh tế chưa thể rõ - Khi đặt kính phân cực P2 vào vị trí hình 3.1, chùm bơm chùm dò sử dụng, tín hiệu thu máy hiển thị sóng phổ nguyên tử Rb sử 56 dụng kỹ thuật phổ phân cực Tia laser vào photodetector phân cực thẳng hồn tồn nên có tác dụng giảm nhiễu tín hiệu thu Ta quan sát cách rõ ràng ba vạch phổ siêu tinh tế tương ứng với trình dịch chuyển mức lượng từ F = lên F’= 1, F’ = F’= 87Rb ba vạch phổ siêu tinh tế tương ứng với trình dịch chuyển mức lượng từ F = lên F’= 2, F’ = F’= 85Rb nguyên tử Rb Hình 3.20 Cấu trúc phổ nguyên tử Rb a) Phổ hấp thụ bão hòa nguyên tử Rb b) Phổ Rb sử dụng chùm dò c) Phổ Rb sử dụng chùm bơm chùm dò d) Phổ phân cực Rb 57 Như vậy, chuyển động nhiệt không ngừng nguyên tử gây mở rộng Doppler có độ rộng phổ lớn dẫn đến hình ảnh mức siêu tinh tế bị nhịe khơng quan sát nghiên cứu cấu trúc siêu tinh tế nguyên tử Thực nghiệm xác định vạch phổ nguyên tử Rb theo kỹ thuật phổ phân cực hoàn toàn phù hợp với kết thực nghiệm biết trước Kỹ thuật phổ phân cực phân tách đầy đủ, rõ n t vạch phổ tương ứng với dịch chuyển siêu tinh tế cường độ tín hiệu lớn vạch phổ thu theo kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa Như vậy, độ nhạy kỹ thuật phổ phân cực cao kỹ thuật phổ hấp thụ bão hịa Kết luận hồn tồn phù hợp với lý thuyết kỹ thuật phổ phân cực Để xác định góc quay mặt phẳng phân cực ta thực xoay kính phân cực P2 : + Quay kính phân cực P2 theo chiều kim đồng hồ từ 00 → 960: tín hiệu hẹp nhỏ dần, khơng có thêm tách mức lượng Tại góc quay 960, khơng có tín hiệu truyền qua kính phân cực Tại góc quay 900: kính phân cực P2 bắt ch o hồn tồn với kính phân cực P1 có tín hiệu có cường độ nhỏ truyền qua + Quay kính phân cực P2 ngược chiều kim đồng hồ từ 00 đến 3400 (khoảng 200): tín hiệu tăng dần lớn so với 00, tách mức rõ dần Quay kính phân cực từ 3400 đến 2760 (khoảng 640): tín hiệu giảm dần, tách mức rõ Tại góc quay 2760 (quay kính góc 840): khơng có tín hiệu truyền qua kính phân cực Như vậy, từ thực nghiệm ta quan sát thấy mặt phẳng phân cực kính P2 nghiêng góc khoảng 140 so với mặt phẳng phân cực kính P1, nghĩa sau qua buồng mẫu mặt phẳng phân cực quay góc 140 ngược chiều kim đồng hồ tín hiệu phổ phân cực lớn 58 Hình 3.21 Phổ siêu tinh tế nguyên tử Rb a) Phổ phân cực nguyên tử Rb mặt phẳng phân cực kính phân cực P1 P2 trùng b) Cường độ cực đại phổ phân cực nguyên tử Rb 59 KẾT LUẬN CHƢƠNG Dựa nguyên lý kỹ thuật phổ phân cực sở thiết bị có phịng thí nghiệm Quang học quang phổ trường Đại học Vinh, thiết kế xây dựng sơ đồ thực nghiệm đo quang phổ nguyên tử Rb kỹ thuật phổ phân cực Để xây dựng sơ đồ thực nghiệm, cần phải tìm hiểu kỹ chức biết cách vận hành, điều khiển thiết bị quang học Trong q trình tiến hành thực nghiệm, chúng tơi đưa số ý tiến hành lắp ráp hệ thống đo phổ, tìm hiểu chức dụng cụ quang học ảnh hưởng chùm tia Từ thực nghiệm kỹ thuật phổ phân cực, quan sát dịch chuyển siêu tinh tế hai đồng vị 85 Rb 87 Rb xảy cộng hưởng ứng với bước sóng laser 780,241 nm/vac so sánh với số liệu phổ nhà khoa học trước nghiên cứu 60 KẾT LUẬN CHUNG Với mục đích góp phần nghiên cứu sâu kỹ thuật phổ phân cực nhằm khảo sát quang phổ nguyên tử Rb so sánh kết đạt thông qua thí nghiệm với giá trị lý thuyết có, luận văn thực được: - Tìm hiểu nguyên lý kỹ thuật phổ phân cực, kỹ thuật nghiên cứu quang phổ đại cho ph p xác định kết tin cậy cấu trúc phổ siêu tinh tế nguyên tử, độ nhạy phổ phân cực cao phổ hấp thụ bão hịa - Thiết kế, xây dựng mơ hình hệ thống đo phổ phân cực cho Rb tiến hành thí nghiệm từ thiết bị thực có phịng thí nghiệm Quang học – Quang phổ trường Đại học Vinh - Kỹ thuật phổ phân cực phân giải dịch chuyển siêu tinh tế nguyên tử Rb Ta quan sát dịch chuyển siêu tinh tế F = 87Rb F = 85Rb với số vạch phổ xuất hoàn toàn phù hợp với kết thực nghiệm biết - Một hạn chế đề tài chưa xác định bước sóng phổ siêu tinh tế, chưa quan sát bốn dịch chuyển siêu tinh tế nguyên tử Rb Những kết tìm hiểu nghiên cứu luận văn mặt góp phần làm sáng tỏ lý thuyết phổ phân cực, phần cung cấp thông tin quan trọng định hướng cho việc lắp ráp hệ thống phổ phân cực Đại học Vinh 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Qúy Tư , Đỗ Đình Thanh, Cơ học lượng tử, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2005 [2] Đinh Xuân Khoa, Đoàn Hoài Sơn, Nguyễn Huy Bằng, Cơ sở ật lý học đại, Đại học Vinh, 2012 [3] B.H Bransden, C.J Joachain, Physics of Atoms and Molecules, Longman Scientific &Technical, 1990 [4] J Michael Hollas, Modern speactroscopy, Wiley, 2004 [5] Wolfgang Demtröder, Laser spectroscopy, Springer, 2003 [6] Đinh Văn Hoàng, Cấu trúc phổ nguyên tử, NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội, 1974 [7] Robert Scholten anh Alex Slavec, MOGlabs, Melbourne, Australia, 2008 [8] C.Wienman and T W Hänsch (1976), Doppler-Free Laser Polarization Spectroscopy, Phys Rev Lett [9] V Jacques, B Hingant, A Allafort, M Pigeard, J F Roch, Nonlinear spectroscopy of Rubidium, 94235Cachan, France, 2009 [10] Daniel A Steck, Rubidium 87 D Line Data, 2001 [11] Daniel A Steck, Rubidium 85 D Line Data, 2001 [12] Pranjal Vachaspats, Sabrina Pasterski, Doppler-Free Spetroscopy of Rubidium, MIT Department of Physics, 2013 [13] Phan Văn Thuận, Nghiên cứu xây dựng hệ đo phổ phân giải cao cho nguyên tử Rb phương ph p phân cực, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Vinh, 2011 [14] Bùi Ngọc Tú, Xây dựng hệ đo phổ siêu tinh tế nguyên tử Rb theo kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Vinh, 2011 62 PHỤ LỤC Một số thông số iên quan đến hấp th b o h a phổ c a nguyên tử Rubi Bảng Thông số vật lý nguyên tử Rubi Thông số vật lý Số thứ tự nguyên tử Tổng số nucleons Nồng độ tương đối tự nhiên Thời gian sống hạt nhân Mật độ 250C Khối lượng nguyên tử Spin hạt nhân Năng lượng Ion hóa giới hạn Ký hiệu Rb87 Rb85 Z 37 37 Z+N 87 85  27,83% 72,17% n 4.88  1010yr Trạng thái bền m 1,53g/cm3 1,53g/cm3 86,909 180 520(15) u 84,911 789 732(14)u 1,443 160 648(72) 1,409 993 1025 kg 199(70) 1025 kg 3/2 5/2 33 960,804 80(20) cm-1 33 960,804 80(20) cm-1 4,177 127 06(10) eV 4,177 127 06(10) eV M I E1 Bảng Thông tin dịch chuyển D2 (52S1/2 → 52P3/2) Thông số vật lý Ký hiệu Rb87 Rb85 Tần số 0 2.384,230 484 2.384,2 30 406 4685(62)THz 373(14)THz 0 1,589 049 462(38) eV 1,589 049 139(38) eV Năng lượng dịch chuyển Bước sóng chân khơng Bước sóng  air 780,241 209 686(13) nm 780,241 368 271(27) nm 780,033 330(23) nm 780,033 489(23) nm 63 khơng khí Số sóng (trong chân kL/2π 12 816,549 389 93(21) 12 816,54 678 496(45) cm−1 cm−1 2π.78,095(12) MHz 2π 78,095(12) MHz 26,2 348(77) ns 26,2 348(77) ns 38,117(11)× 106 s−1 38,117(11)× 106 s−1 2π.6,0666(18) MHz 2π.6,0666(18) MHz F 0,695 77(29) 0,695 77(29) Vận tốc giật lùi vr 5,8845 mm/s 6,0230 mm/s Năng lượng giật lùi ωr 2π.3,7710 kHz 2π.3,8597 kHz Nhiệt độ giật lùi Tr 361,96 nK 145,57K 2π.7,5419 kHz 2π.7,7194 kHz 2π.15,0839 kHz 2π.15,4387 kHz không) Dịch chuyển đồng vị Thời gian sống ω0(87Rb) − ω0(85Rb) Τ Tốc độ phát xạ/ độ rộng đường tự nhiên Γ (FWHM) Nồng độ dao động hấp thụ Dịch chuyển Doppler ∆ωd (vatom= vr ) Tần số dịch chuyển cho sóng dừng ∆ωsw chuyển động với (vsw = vr) vsw = vr Bảng Thông tin dịch chuyển D1 (52S1/2 → 52P1/2) Thông số vật lý Ký hiệu Rb 87 Rb85 Tần số 0 2.384.230 484 2.384.230 484 4685(62)THz 4685(62)THz 0 1,589 049 462(38) eV 1,589 049 139(38) eV Năng lượng dịch chuyển Bước sóng chân khơng  794,978 851 156(23)nm 794,979 014 933(96) nm 64 Bước sóng air 794,767 119(24) nm 794,767 282(24) nm kL/2π 12 578,950 981 47(37) 12 578,948 3900(15) cm−1 cm−1 2π.77,583(12) MHz 2π.77,583(12) MHz 26.2348(77) ns 26,2348(77) ns 36,129(35)× 106 s−1 36,129(35)× 106 s−1 2π.5,7500(56) MHz 2π.5,7500(56) MHz F 0,342 31(97) 0,342 31(97) Vận tốc giật lùi vr 5,7754 mm/s 5,9113 mm/s Năng lượng giật lùi ωr 2π.3,6325 kHz 2π.3,7179 kHz Nhiệt độ giật lùi Tr 348,66 nK 356,86 nK 2π.7,2649 kHz 2π.7,4358 kHz 2π.14,5298 kHz 2π.14,8716 kHz khơng khí Số sóng (trong chân khơng) Dịch chuyển đồng vị Thời gian sống ω0(87Rb) − ω0(85Rb) Τ Tốc độ phát xạ/độ rộng đường tự nhiên Γ (FWHM) Nồng độ dao động hấp thụ Dịch chuyển Doppler ∆ωd (vatom= vr ) Tần số dịch chuyển cho sóng dừng ∆ωsw chuyển động với (vsw = vr) vsw = vr ... vậy, kĩ thuật phổ phân cực áp dụng cho ph p đo độ phân giải cao quang phổ nguyên tử phân tử 38 CHƢƠNG PHỔ PHÂN CỰC CỦA NGUYÊN TỬ Rb 3.1 Hệ thống thiết bị đo phổ aser kỹ thuật phổ phân cực 3.1.1... quang học – quang phổ cách cụ thể, đặc biệt với cấu trúc nguyên tử Rb, chọn đề tài ? ?Ứng dụng kỹ thuật phổ phân cực vào nghiên cứu cấu trúc phổ nguyên tử Rb? ?? làm đề tài luận văn tốt nghiệp Luận văn... quan đến cấu trúc lượng nguyên tử cấp độ khác nhau; tương tác nguyên tử với trường laser; mở rộng vạch phổ 3 - Chương 2: Tìm hiểu kĩ thuật phổ phân cực: nguyên lý kĩ thuật phổ phân cực, tính