A : xỏc suất tỏi bắt của điện tử với bẫy
1.5.3. Đặc điểm của mức năng lượng 4f
Cỏc mức năng lượng điện tử 4f của cỏc ion thuộc họ lantan là đặc trưng cho mỗi ion. Cỏc mức năng lượng này ớt bị ảnh hưởng bởi mụi trường bởi vỡ cỏc điện tử 4f được che chắn bởi cỏc điện tử 5s2 và 5p6 ở bờn ngoài. Đặc điểm này hoàn toàn ngược lại với cỏc ion kim loại chuyển tiếp, cỏc điện tử lớp 3d
nằm ở quỹ đạo ngoài cựng nờn chịu ảnh hưởng bởi mụi trường và trường tinh thể 88, 89.
Cỏc tương tỏc spin - spin và spin - quỹ đạo giữa cỏc điện tử của vỏ 4f xỏc định cỏc mức năng lượng, do hiệu ứng bao bọc của cỏc lớp vỏ bờn ngoài - lớp 5s và 5p, điện trường gõy ra bởi cỏc nguyờn tử bờn cạnh tỏc dụng lờn hàm súng của điện tử ở lớp 4f gõy ra tỏch mức năng lượng suy biến do hiệu ứng
Stark. Cơ chế tỏch vạch Stark kết hợp với sự mở rộng vạch đồng đều và khụng đồng đều, xỏc định bề rộng năng lượng của cỏc dịch chuyển quang học giữa cỏc mức năng lượng. Kết quả này đó được Dieke trỡnh bày trờn giản đồ năng lượng của cỏc ion đất hiếm húa trị 3 và được gọi là giản đồ Dieke. Giản đồ Dieke được trỡnh bày ở Hỡnh 1.13 88.
Hỡnh 1.13. Giản đồ cỏc mức năng lượng của một số ion đất hiếm húa trị 3 thuộc nhúm lanthanides
Giản đồ ở Hỡnh 1.13 được ỏp dụng cho hầu hết cỏc ion đất hiếm ở bất cứ mụi trường nào vỡ sự thay đổi cao nhất của cỏc mức năng lượng hầu hết là vào bậc vài trăm cm-1. Cỏc mức năng lượng điện tử 4f là đặc điểm tiờu biểu của cỏc ion đất hiếm. Do cỏc điện tử lớp 4f chưa lấp đầy nằm sõu bờn trong so với cỏc lớp 5s, 5p đó được lấp đầy và bị che chắn bởi cỏc lớp này nờn điện tử
lớp 4f của cỏc ion đất hiếm tương tỏc yếu với mạng tinh thể (phần năng lượng đúng gúp do tương tỏc này chỉ vào khoảng 0,01 eV) nhưng chỳng tương tỏc khỏ mạnh với nhau. Mặc dự cỏc nguyờn tố đất hiếm đó nằm tại cỏc nỳt mạng tinh thể nhưng chỳng vẫn cú cỏc mức năng lượng xỏc định đặc trưng riờng 88. Nhiều ion được sử dụng như cỏc tõm phỏt quang trong cỏc chất phỏt quang 17, 60, 88, 89. Cỏc mức này ớt chịu ảnh hưởng của trường tinh thể. Khi cú sự chuyển dời của cỏc điện tử giữa cỏc mức năng lượng của lớp 4f sẽ cho bức xạ nội tõm.
Phổ phỏt quang của cỏc vật liệu phỏt quang pha tạp đất hiếm húa trị 3 là những vạch hẹp đặt trưng cho từng nguyờn tố. Mỗi mức năng lượng của điện tử lớp 4f được xỏc định bằng số lượng tử S, L, J.
Dưới ảnh hưởng của trường tinh thể, cỏc mức này bị tỏch thành một số phõn mức do hiệu ứng Stark hay hiệu ứng của trường tinh thể. Số cỏc mức phụ bị tỏch ra chủ yếu là mức (2J + 1) và (J + 1/2) tương ứng J nguyờn hoặc bỏn nguyờn. Cỏc mức này xỏc định bởi tớnh đối xứng của trường tinh thể xung quanh ion đất hiếm. Bề rộng mỗi mức năng lượng trờn giản đồ Dicke biểu diễn vựng cỏc năng lượng được tỏch ra.
Sự phỏt quang của cỏc ion đất hiếm cú nguồn gốc từ cỏc chuyển dời điện tử giữa cỏc mức 4f, chủ yếu do tương tỏc lưỡng cực điện hay do lưỡng cực từ. Cỏc chuyển dời lưỡng cực điện ở cỏc ion tự do 4f bị cấm bởi tớnh chẵn lẻ, nhưng trở nờn chuyển dời được phộp một phần do sự trộn lẫn cỏc quỹ đạo cú tớnh chẵn - lẻ khỏc nhau vỡ thành phần trường tinh thể lẻ. Quy tắc lọc lựa trong trường hợp này là |∆J| ≤ 6 (ngoại trừ, 0 → 0, 0 → 1, 0 → 3, 0 → 5). Mức độ chuyển dời phụ thuộc vào tớnh đối xứng của ion trong chất nền. Ngược lại, cỏc chuyển dời lưỡng cực từ ớt chịu ảnh hưởng bởi tớnh đối xứng trường tinh thể, do cỏc chuyển dời này là được phộp chẵn lẻ. Quy tắc lọc lựa trong trường hợp này là ∆J = 0, ±1 (ngoại trừ 0 → 0) 17, 41, 61, 88, 89.