بخشی از مقاله
چکیده - بررسی گذارهای اتمی فوقریز و زیمان در اتمهای قلیایی، در سالهای اخیر کاربردهای فراوانی یافته است. در این کاربردها یکی از محدودیتهای اندازهگیری دقیق فاصلهی ترازها، پهنشدگی دوپلری میباشد. یکی از روشهای کاهش این پهن شدگی استفاده از گاز میانجی در سلول حاوی فلز قلیایی میباشد. در این مقاله اثر گاز میانجی بر کاهش پهنشدگی ترازهای اتمی در گذار D1 اتمهای روبیدیوم طبیعی بررسی شده است. پرتوی نور لیزر قطبیده خطی و دایرهای وارد سلول حاوی روبیدیوم و گاز میانجی میشود و گذارهای اتمی در میدان مغناطیسی زمینه و هم چنین در حضور میدان مغناطیسی با استفاده از روش نیمه تجربی بررسی میشود.
کلید واژه- فلزات قلیایی، جداشدگی زیمان، پهنشدگی دوپلری، گاز میانجی
-1 مقدمه
بررسی ترازهای فوقریز و شکافتگی زیمان اتمهای قلیایی، توجه ویژهای را در پایدارسازی بسامد لیزرها، سردسازی و گیرانداختن اتمی و همچنین حسگرهای مغناطیسی اتمی به خود معطوف داشته است .[1] در حسگرهای مغناطیسی اتمی به منظور اندازهگیری میدانهای مغناطیسی بسیار ضعیف، نیاز است که فاصلهی زیرترازهای زیمان با دقت بالایی اندازهگیری شود .[2] اما وجود انواع پهنشدگیهای طیفی به خصوص پهنشدگی دوپلری باعث ایجاد عدم قطعیت در اندازهگیری گذارهای اتمی مورد نظر میشود. در حال حاضر چیدمان اسپکتروسکوپی جذبی اشباعی [3] و کوچک کردن سلول بخار [4] از متداولترین روشهای مورد استفاده به منظور کاهش پهنشدگی ترازهای اتمی میباشد که امکان تفکیک گذار بین ترازهای فوقریز و زیرترازهای زیمان را فراهم میآورد.
روش دیگری که میتواند کاهش پهنشدگی ترازهای اتمی را به همراه داشته باشد، استفاده از گاز میانجی در سلول حاوی اتم قلیایی میباشد .[5] این روش به نسبت روشهایی که در اسپکتروسکوپی دقت بالا استفاده میشود، یک روش ساده برای رسیدن به طیف اپتیکی بدون دوپلری میباشد. گاز میانجی معمولا شامل گازهای نجیب اتمی مانند هلیوم، نیتروژن و آرگون میباشد. وقتی اتمهای روبیدیوم از میان گاز میانجی منتشر میشوند، برخورد اتمها با یکدیگر کمتر شده، مسیر آزاد متوسط بین اتمها کوتاهتر از نصف طول موج تشدید میشود - شرط دیک - و لذا پهنشدگی دوپلری کاهش مییابد .[6]
در این مقاله با بررسی عبور نور قطبیده خطی و دایرهای از سلول حاوی بخار فلز روبیدیوم و گاز میانجی، خطوط جذبی گذار D1 این اتم، در حضور و عدم حضور میدان مغناطیسی، مورد بررسی قرار گرفته است. هم چنین با استفاده از تحلیلهای تئوری، گذارهای بین ترازهای اتمی فوقریز و همچنین زیرترازهای زیمان در حضور میدان مغناطیسی، بدست آمده و به همراه داده های تجربی، یک روش نیمه تجربی برای بررسی زیرترازهای زیمان معرفی شده است.
-2 توصیف تئوری
هر تراز انرژی فوقریز - F - شامل 2F+1 زیرتراز مغناطیسی است که توزیع زاویهای تابع موج الکترون را تعیین میکند.
در غیاب میدان مغناطیسی خارجی این زیرترازها تبهگن هستند. اما با اعمال میدان مغناطیسی خارجی، تبهگنی آنها شکسته میشود. تاثیر میدان مغناطیسی روی ترازهای فوق ریز یک اتم از هامیلتونی برهمکنش بیان میشود، که به صورت
مغناطیسی، B شدت میدان مغناطیسی، I تکانه زاویهای اسپین هسته و A ثابت ساختار فوقریز میباشد. به این ترتیب میتوان موقعیت هر تشدید اپتیکی را برای هر زیرتراز
زیمان در میدان مغناطیسی داده شده با استفاده از رابطهی - 4 - محاسبه کرد.
-3 چیدمان آزمایشگاهی
به منظور اندازهگیری ترازهای فوقریز، پرتوی لیزر در طول موج =794/8 nm - گذار - D1 از سلول حاوی روبیدیوم طبیعی - شامل دو ایزوتوپ 85Rb و - 87Rb و 550 تور گاز میانجی He عبور میکند. با عبور نور لیزر از این سلول، در صورتیکه بسامد لیزر با بسامد گذار بین ترازهای فوق زیر روبیدیوم برابر باشد نور لیزر جذب اتمهای روبیدیوم شده و آنها را برانگیخته میکند، در غیر این صورت، نور لیزر بدون جذب از سلول شیشهای عبور میکند. بنابراین با ثبت و بررسی نور عبوری از سلول میتوان بسامد گذارهای اتمی در ترازهای فوقریز را تعیین نمود. به منظور بررسی گذار بین زیرترازهای زیمان، نور لیزر بعد از عبور از قطبنده به صورت نور قطبیده خطی و بار دیگر پس از عبور از تیغه ربع موج به صورت نور قطبیده دایرهای، وارد سلول بخار قلیایی که تحت تاثیر میدان مغناطیسی ثابت قرار گرفته است، میشود و با توجه به قاعدهی انتخابی گذار، اتمهای روبیدیوم را به تراز بالا برانگیخته میکند. میدان مغناطیسی از طریق دو آهنربای قوی که در دو طرف سلول به صورت عرضی قرار گرفتهاند اعمال میشود. با تغییر فاصلهی آهنرباها نسبت به سلول روبیدیوم میزان میدان اعمالی به سیستم کنترل میشود. در نهایت با جاروب بسامد لیزر، طیف عبوری از سلول توسط آشکارساز ثبت میشود.
-4 بحث و نتایج:
با حل معادلهی - 4 - در میدانهای مغناطیسی مختلف، میتوان ساختار فوق ریز و زیمان را برای هر کدام از ایزوتوپهای 85Rb و 87Rb بدست آورد. در شکل - 2 - نمودار تئوری جداشدگی زیمان برای گذار D1 روبیدیوم 85 در میدان مغناطیسی صفر تا 500 میلیتسلا آورده شده است.
شکل:2 ساختار فوقریز ترازهای مربوط به گذار D1 روبیدیوم 85 در حضور میدان مغناطیسی خارجی
به همین ترتیب با جایگذاری پارامترهای روبیدیوم 87 برای گذار خط D1 در معادلهی - 4 - ، جداشدگی ترازهای فوقریز 87Rb در حضور میدان مغناطیسی خارجی بدست آمده است. طیف نور عبوری از سلول حاوی روبیدیوم با حضور گاز میانجی و بدون آن - شکل درونی - در میدان مغناطیسی زمینه در شکل - 3 - نشان داده شده است.
شکل :1 چیدمان اندازهگیری ترازهای زیمان با استفاده از نور قطبیده خطی
شکل :3 طیف عبوری از سلول حاوی روبیدیوم با حضور گاز میانجی و بدون آن - شکل درونی - در میدان مغناطیسی زمینه
با استفاده از یک روش نیمه تجربی میتوان به بسامدهای تشدیدی جذبی موجود در منحنی تجربی رسید. با استفاده از منحنیهای تئوری، محل بیشینهها را میتوان تعیین کرد، به این صورت که در محل گذارهایی که از تئوری بدست میآید، بیشینه نسبت داده شود. با توجه به این که هر بیشینه در منحنی تجربی به صورت یک برهمنهی از دو یا چند بیشینه بدست آمده از تئوری میباشد، با استفاده از برنامهی اریجین تعداد بیشینههای مجاز بدست آمده از نتایج تئوری بر منحنیهای تجربی منطبق میشود تا هر بیشینه به
