4. Phương pháp nghiên cứu
1.6. Nguyên tử Rubi (Rubidium)
Rubi là một ngun tố hóa học trong bảng tuần hồn có ký hiệu Rb và số thứ tự 37. Rubi là nguyên tố kim loại màu trắng bạc, thuộc nhóm kim loại kiềm. Trong tự nhiên, Rubi tồn tại hai đồng vị bền: đồng vị 85Rb chiếm 72 % và đồng vị 87Rb chiếm 28 %.
Áp suất của khí nguyên tử Rubi được xác định theo biểu thức [68], log p 94.04826 1961.258 0.03771687 T 42.57526
log T , (1.37)
10
T 10
ở đây T là nhiệt độ tuyệt đối, p là áp suất (tính bằng đơn vị Torr). Từ áp suất, chúng ta có thể dễ dàng tính tốn mật độ ngun tử N, hệ số 1,33 có được là do sự chuyển đổi đơn vị từ Torr sang Pa, và kB là hằng số Boltzman. Rubi có hai đồng vị, do đó mật
52P3/2 52P3/2 F’ = 4 120,640 (68) MHz F’ = 3 63,401 (61) F’ = 2 Rb8529,372 (90) MHz F’ = 1 780.241 368 271(27) nm 384.230 406 373(14) THz F = 3 3.035 732 439 0(60) GHz F = 2 F’ = 3 266.650(9) MHz F’ = 2 156.947(7) MHz F’ = 1 Rb8772.218(4) MHz F’ = 0 780.241 209 686(13) nm 384.230 484 468 5(62) THz F = 2 6.834 682 610 904 29(9) GHz F = 1 52S1/2 52S1/2
độ số hạt của hai đồng vị sẽ được tính tốn theo biểu thức:
N 0.72 133.3 p , (1.38) 85 k T N 0.28 133.3 p . (1.39) 87 k T N 1,33 p , (1.40) kBT
Hình 1.16 Giản đồ các mức năng lượng của hai đồng vị 85Rb và 87Rb ứng với dịch chuyển D2.
Bảng 1.1 Hệ số cường độ dịch chuyển SFF giữa các trạng thái siêu tinh tế
trong dịch chuyển D2 của nguyên tử 85Rb [69].
Dịch chuyển D2(52S1/2 52P3/2) S34 9/14 S23 14/45 S33 5/18 S22 7/18 S32 5/63 S21 3/10 B B
Giản đồ các mức năng lượng của hai đồng vị Rubi ứng với dịch chuyển D2 được mơ tả như trong Hình 1.16.
- Đối với đồng vị 85Rb:
+ Trạng thái cơ bản 52S1/2 bị tách thành hai trạng thái 52S1/2(F = 2, 3). + Trạng thái kích thích 52P3/2 bị tách thành bốn trạng thái 52P3/2(F = 1, 2, 3, 4).
+ Hệ số cường độ dịch chuyển SFF giữa các trạng thái siêu tinh tế được mơ tả như trong Bảng 1.1.
Hình 1.17 Cường độ chuẩn hóa (I/I0) của chùm laser khi truyền qua mơi trường khí
nguyên tử Rubi ứng với dịch chuyển D2.
Bảng 1.2 Hệ số cường độ dịch chuyển SFF giữa các trạng thái siêu tinh tế
trong dịch chuyển D2 của nguyên tử 85Rb [69].
Dịch chuyển D2(52S1/2 52P3/2)
S23 7/10 S12 5/12
S22 ¼ S11 5/12
- Đối với đồng vị 87Rb:
+ Trạng thái cơ bản 52S1/2 bị tách thành hai trạng thái 52S1/2(F = 1, 2). + Trạng thái kích thích 52P3/2 bị tách thành bốn trạng thái 52P3/2(F = 0, 1, 2, 3).
+ Hệ số cường độ dịch chuyển SFF giữa các trạng thái siêu tinh tế được mơ tả như trong Bảng 1.2.
Đường tín hiệu chùm laser dị được mơ phỏng lại như trong Hình 1.17. Ta thấy cường độ chùm laser sẽ bị hấp thụ mạnh tại 4 vị trí ứng với 2 dịch chuyển 52S1/2(F = 1) 52P3/2(F = 0, 1, 2); 52S1/2(F = 2) 52P3/2(F = 1, 2, 3) của đồng vị 87Rb và hai dịch chuyển 52S1/2(F = 2) 52P3/2(F = 1, 2, 3); 52S1/2(F = 3) 52P3/2(F = 2, 3, 4) của đồng vị 87Rb.
Kết luận chương I
Trong chương này, chúng tơi trình bày nguyên lý của một số kỹ thuật đo phổ phân giải cao dùng để nghiên cứu các tính chất quang của mơi trường khí ngun tử:
+ Phổ hấp thụ bão hịa sử dụng hai chùm laser cùng tần số truyền theo hai chiều ngược nhau qua buồng mẫu.
+ Phổ hấp thụ được kích thích lọc lựa theo vận tốc nguyên tử, sử dụng chùm laser dò cố định tần số và chùm laser bơm truyền ngược chiều chùm dị có tần số thay đổi quanh miền phổ cần khảo sát.
+ Phổ EIT sử dụng chùm dị có tần số thay đổi quanh miền phổ cần khảo sát và chùm laser bơm truyền ngược chiều được cố định tần số.
+ Phổ tán sắc sử dụng giao thoa kế Mach-Zenhder.
+ Hiệu ứng Macaluso-Corbino sử dụng chùm laser thay đổi tần số truyền qua mơi trường có véctơ cảm ứng từ cùng phương với chiều truyền.
+ Ở đây, cũng đã đưa ra cơ sở nguyên lý phép đo một số ứng dụng của hiệu ứng EIT.
Trong phạm vi đề tài, chúng tơi nghiên cứu sâu vào tính chất quang của mơi trường ngun tử khí Rubi bằng cách sử dụng laser có bước sóng nằm trong miền dịch chuyển D2. Do đó, ở đây cũng đã trình bày một số thơng tin cơ bản nhất về các dịch chuyển quang học của môi trường trong miền dịch chuyển D2 của nguyên tử Rubi.
Những nội dung trình bày trong chương 1 là cơ sở lý thuyết cho việc xây dựng hệ thí nghiệm tích hợp nghiên cứu các tính chất quang nguyên tử, sẽ được thực hiện trong chương 2.
Chương II
XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MƠI TRƯỜNG NGUN TỬ
Chúng tơi tìm hiểu tổng quan một số hệ đo phổ ngun tử đã có và phân tích các ưu, nhược điểm của các hệ. Trên cơ sở đó, chúng tơi thiết kế và xây dựng một hệ thí nghiệm nhỏ gọn, có độ nhạy và độ phân giải cao, tích hợp nhiều phép đo phổ khác nhau. Hệ thí nghiệm cũng đảm bảo được sự linh động, ổn định và dễ dàng thao tác chuyển đổi qua lại giữa các phép đo khác nhau.