Оптическое возбуждение метастабильного атомного состояния Cd(5 3P2), индуцированное столкновениями с атомами криптона
Конференция: II Международная заочная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Секция: Оптика
II Международная заочная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Оптическое возбуждение метастабильного атомного состояния Cd(5 3P2), индуцированное столкновениями с атомами криптона
The optical excitation of the metastable atomic state Cd(53P2), induced by the interaction with Kr and Ar atoms
Olga Alekseeva
candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, BSTU “VOENMEH” named after D.F. Ustinov, Russia, St. Petersburg
Alexander Devdariani
doctor of science, professor, St. Petersburg State University, Russia, St. Petersburg
Andrey Zagrebin
candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, BSTU “VOENMEH” named after D.F. Ustinov, Russia, St. Petersburg
Mikhail Lednev
candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, BSTU “VOENMEH” named after D.F. Ustinov, Russia, St. Petersburg
Аннотация. Рассматривается оптическое возбуждение метастабильного состояния 3Р2 атомов кадмия, обусловленное столкновениями с невозбужденными атомами криптона. Квазимолекулярные спектры поглощения вычисляются в квазистатическом приближении. Основой для вычисления спектров служат полуэмпирические потенциалы взаимодействия и вероятности квазимолекулярных переходов, восстановленные из экспериментальных данных о потенциальных кривых для излучающих состояний. Процедура восстановления основана на применении метода эффективного гамильтониана и полуэмпирического метода анализа квазимолекулярных термов.
Abstract. The processes of the optical excitation of the metastable 3P2 state of Cd atoms, induced by the interaction with rare gas atoms (Kr) in their ground states are under consideration. The spectral distributions have been obtained in the quasistatic approach with the use of the calculated interaction potential curves for the excited metastable states and the probabilities of the quasimolecular transitions. In these calculations the available experimental data on the interaction potential curves for the resonance states and the method of the effective Hamiltonian with the semiempirical method of the quasimolecular term analysis have been used.
Ключевые слова: оптическое возбуждение; метастабильные состояния; квазимолекулярное поглощение.
Keywords: optical excitation; metastable states; quasimolecular absorption.
Прямое оптическое заселение низколежащих метастабильных атомных состояний в газовой фазе запрещено правилами отбора. Заселение таких состояний возможно, например, в результате оптического возбуждения вышележащих состояний и последующих каскадных радиационных переходов. В условиях газового разряда возможно и прямое заселение электронным ударом, но основными каналами заселения метастабильных состояний являются радиационные переходы из вышележащих состояний, которые в свою очередь заселяются электронным ударом или в результате рекомбинационного потока. В данной работе рассматривается возможность прямого оптического возбуждения долгоживущих атомных состояний в газовых смесях в результате квазимолекулярного поглощения при атомных столкновениях. В качестве конкретного примера выбран процесс оптического возбуждения метастабильного состояния атома кадмия при столкновениях с атомами криптона.
Прямое оптическое возбуждение метастабильного состояния Cd(5 3P2) в смесях паров кадмия с инертными газами обусловлено снятием запрета на радиационный переход межатомным взаимодействием в ходе столкновения. Поэтому для расчета оптических характеристик, в частности спектрального распределения коэффициента поглощения вблизи запрещенной атомной линии Cd(5 1S0 – 5 3P2) в газовой смеси, необходима детальная информация о потенциалах взаимодействия атомов в возбужденных и основном состояниях и дипольных моментах квазимолекулярных радиационных переходов. Совместное применение метода эффективного гамильтониана и полуэмпирического метода анализа квазимолекулярных термов [1-4] позволяет из имеющихся экспериментальных данных [5, 7] по потенциалам взаимодействия в четырех излучающих (1(1,3P1) и 0+(1,3P1)) состояниях восстановить потенциалы взаимодействия в остальных неизлучающих (0−(3P0,2), 1(3P2) и 2(3P2)) квазимолекулярных состояниях. Кроме того, в процессе диагонализации матрицы эффективного гамильтониана возможно также определение зависимости от межатомного расстояния коэффициентов, определяющих степень перемешивания межатомным взаимодействием волновых функций излучающих и неизлучающих состояний. Именно эти коэффициенты и определяют в конечном итоге вероятность квазимолекулярных переходов вблизи запрещенной атомной линии Cd(5 1S0 – 5 3P2).
На рисунке 1 для квазимолекулы Cd+Kr на верхней панели представлены результаты вычислений потенциала взаимодействия U* в возбужденном состоянии (1(3P2)), а также потенциал взаимодействия U0 в основном состоянии и разностный потенциал ΔU = U* - U0. Для основного состояния был взят потенциал, полученный в работе [7]. На нижней панели приводится результат расчета приведенной вероятности квазимолекулярного перехода γ(1(3P2), R) в логарифмическом масштабе. Приведенная вероятность γ(1(3P2), R) представляет собой отношение квадратов дипольных моментов квазимолекулярного 1(3P2) – 0+(1S0) и атомного 3P1 – 1S0 переходов.
Рисунок 1. Потенциалы взаимодействия U* (кривая 1), U0 (кривая 2), разностный потенциал ΔU (кривая 3), а также приведенная вероятность перехода γ(1(3P2)).
Как видно из рисунка 1, благодаря сильной зависимости вероятности радиационного перехода от межатомного расстояния, квазимолекулярное поглощение вблизи запрещенной атомной линии Cd(5 1S0 – 5 3P2) в рассматриваемой газовой смеси Cd+Kr и приводит преимущественно к заселению долгоживущего атомного состояния Cd(5 3P2)).
Cd(5 1S0) + Kr(1S0) + ħω → Cd(5 3P2) + Kr(1S0)
Наиболее эффективно процесс идет в коротковолновой по отношению к запрещенной линии области спектра. Соответствующие спектральные распределения коэффициента поглощения Kabs(T, ħΔω) (где Δω – сдвиг частоты относительно запрещенной атомной линии) для смеси Cd+Kr были вычислены для температур Т = 300 К и Т = 700 К в рамках квазистатического приближения [6]. Результаты вычислений представлены на рисунке 2.
Рисунок 2. Спектральные распределения коэффициента поглощения вблизи запрещенной атомной линии Cd(5 1S0 – 5 3P2) для смеси Cd+Kr при Т = 300 К (кривая 1) и Т = 700 К (кривая 2)
Как следует из рисунка 2 квазимолекулярный спектр поглощения представляет собой сплошную полосу. С ростом температуры положение максимума континуума медленно сдвигается в коротковолновую область, одновременно с этим наблюдается уменьшение его абсолютной величины, а также уширение полосы поглощения.
