镓和钪原子能级超精细结构和自然辐射寿命测量研究

发布时间：2019-02-19 19:00

【摘要】：原子的超精细相互作用和激发态辐射跃迁动力学特性一直是人们所关心的研究领域。超精细相互作用的精确测量有助于人们获得原子核的结构、性质、以及电子关联效应方面的信息,检验理论计算中波函数的准确性,深入了解原子内部结构。精确可靠的原子辐射参数则有助于人们了解原子能级的跃迁动力学过程,揭示原子能级电磁辐射特性。天体物理中,精确可靠的超精细结构(HFS)常数是天体光谱分析谱线轮廓理论建模过程中必不可少的原子数据。原子能级的自然辐射寿命、跃迁分支比、振子强度(跃迁几率)等辐射参数是获得准确可靠的天体信息的必要条件。近年来,随着天文观测手段突飞猛进地发展,人们获得了海量前所未有的高分辨率、高信噪比的天体光谱。这些展示了许多光谱线HFS的高分辨率太阳和恒星光谱亟待分析,需要更多准确的HFS常数和自然辐射寿命、跃迁分支比、振子强度等原子数据。本文针对天体光谱分析中人们感兴趣的镓(Ga,Z=31)、钪(Sc,Z=21)两种元素的HFS和自然辐射寿命展开实验测量研究,获得了一些可靠的实验结果。本文运用时间分辨激光诱导荧光光谱(TR-LIF)技术、量子拍光谱技术、激光烧蚀技术,确定了镓原子里德堡系列能级HFS常数和自然辐射寿命,钪原子高激发态能级自然辐射寿命。实验中,采用激光烧蚀技术获得自由原子。通过纳秒激光泵浦染料激光器获得连续可调谐脉冲激光。为拓宽激发光波长范围,利用二倍频技术、三倍频技术、拉曼频移技术获得实验需要的可见及紫外波段的激发光。运用TR-LIF技术将自由原子选择激发到目标能级,再用光栅单色仪、光电倍增管和示波器探测并记录自发辐射的荧光衰减曲线。用计算机对荧光衰减曲线拟合得到能级寿命。采用三对亥姆霍兹线圈抵消地磁场,运用零场量子拍光谱技术探测包含量子拍振荡信息的荧光衰减曲线。对量子拍曲线进行傅立叶变换、多元回归分析得到该能级的磁偶极HFS常数A和电四极HFS常数B。本文具体内容包括以下三部分:一、采用量子拍光谱技术测量了镓原子4s2nd 2D3/2(n=6 18)里德堡系列能级和4s26p 2P3/2能级的HFS量子拍曲线。对量子拍曲线加窗函数取样,傅立叶变换后得到频域谱,经过滤波处理后分别确定两种天然同位素71Ga和69Ga的包含HFS信息的量子拍拍频峰位,对其分别多元回归分析拟合出相应能级的磁偶极常数A和电四极常数B。所测结果在0.44-34.41 MHz之间,磁偶极HFS常数A误差在10%以内,电四极常数B的误差稍大,这主要归因于超精细相互作用中磁偶极作用占主导,电四极作用量子拍成分信噪比较低。据我们所知,4s2nd 2D3/2(n=6 18)里德堡系列能级的HFS结果未见文献报道。4s26p 2P3/2能级的HFS常数与前人结果相差3%以内。根据HFS常数与能级有效主量子数之间的关系确定了71Ga和69Ga两种同位素的磁偶极矩比值和电四极矩比值,结果与前人符合的很好。二、运用TR-LIF技术测量了镓原子4s2ns(n=11 17)和4s2nd(n=6 18)里德堡系列能级以及4s26p能级室温下(300 K)的自然辐射寿命,21条能级中15条能级寿命为首次测量的创新性原子数据。所测能级寿命最小为69.5 ns,最大为2279 ns,所有寿命结果的误差都小于10%。详细分析了里德堡能级寿命测量中的黑体辐射效应以及组态相互作用的影响。利用铷原子黑体辐射效应去布居速率数据进一步确定了所测里德堡能级在0 K下的自然辐射寿命值。三、采用TR-LIF技术对钪原子位于16021.82 cm-1至48582.13 cm-1之间的激发态能级自然辐射寿命进行了测量,得到38条Sc I能级的自然辐射寿命。所测寿命值分布在9.6 ns至1034 ns之间,据我们所知,其中31条能级寿命是文献中未见报道的首次测量,且这31条能级均属于40000 cm-1以上的高激发态能级。此外,根据电偶极跃迁选择定则,确定了6条48000 cm-1以上能级的角动量量子数可能值。综上,本文运用量子拍光谱技术、TR-LIF技术等首次测量研究了镓原子13条里德堡能级的HFS常数、15条里德堡能级自然辐射寿命,以及钪原子31条高激发态能级的自然辐射寿命。这些新的原子数据对原子性质的了解、原子理论的发展、天体光谱分析、原子核物理等基础研究具有重要科学和应用价值。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O562

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