Dr. O. Hoffmann
Die optische Anregung von Stoßpaaren wird beschrieben durch
die Prozeßgleichungen:
A + B + hf -> AB + hf -> (AB)* -> A* + B
oder kurz:
A + B + hf -> A* + B
Das Photon hf ist dabei zu keinem der Übergänge der Teilchen A und
B resonant.
Bei den betrachteten Experimenten ist A ein Alkaliatom oder Erdalkaliatom,
also zum Beispiel
A = Na(3s) und A* = Na(3p1/2, 3/2),
B ist ein Edelgas oder ein Molekül.
oder
A = Li(2s) und A* = Li(2p1/2, 3/2),
B ist Ne, He, D2, H2 (ortho oder para)
oder
A = K(4s) und A* = K(4p1/2, 3/2),
B = Ar
oder
A = Ca(4s) und A* = Ca(4p) beziehungsweise Ca(3d),
B = Ar
Die Abbildung zeigt das Prinzip anhand des Stoßpaares NaKr.
Der Pfeil repräsentiert das Anregungsphoton hf.
Wenn während des Stoßes die Differenz zwischen dem Grundzustandspotential
und dem Potential des angeregten Zustandes der Energie des Anregungsphotons
beim Kernabstand rc entspricht, ist die Resonanzbedingung erfüllt.
Statt der Photonenenergie hf wird üblicherweise die Verstimmung (detuning)
hf - hfResonanz angegeben.
Als Bezugsenergie wird der
D1-Übergang benutzt.
Im Falle von Natrium ist das
Na(3p1/2) -> Na(3s1/2).
Durch die Verstimmung wird der Kernabstand rc
festgelegt. rc wird
Condonradius genannt.
Das Stoßpaar läuft auf der Grundzustandspotentialkurve X von rechts
(großer Abstand) ein und wird beim Condonpunkt entweder beim Einlaufen oder
beim Auslaufen in einen angeregten Zustand (hier der Zustand B) transferiert und
läuft da wieder aus.
Prinzip der optischen Anregung von Stoßpaaren am Beispiel NaKr
im Schwerpunktsystem in einer Darstellung im
Trajektorienbild bei positiver Verstimmung
(wie beim Potentialkurvenbild Anregung von X nach B).
Die Vektoren vrel
und v'rel
geben die Richtungen der Relativgeschwindigkeiten
vor und nach dem Stoß an.
rCondon ist der
Condonradius,
r1 und
r2 die Condonvektoren,
die Kreise
markieren die Orte einer möglichen Anregung (Condonpunkte).
Die Durchmesser der Kreise repräsentieren
die Anregungswahrscheinlichkeit.
Der Polarisationsvektor des anregenden
Lichtes E liegt in der Streuebene.
Zu vorgegebenem Streuwinkel und festgelegter Stoßenergie gibt es bei positiver Verstimmung wie in der Darstellung gezeigt genau zwei Trajektorien (entsprechend den ri).
Bei der ersten tritt die Anregung beim ersten Durchqueren des Condonradius auf, bei der zweiten beim zweiten Durchqueren. Die Anregung bei der ersten Trajektorie beim zweiten Durchqueren und umgekehrt ist auch möglich, führt aber zu einem anderen Ablenkwinkel. Grund dafür ist, daß innerhalb des Condonradius ein anderes Potential durchlaufen wird und somit andere Kräfte zwischen den Stoßpartnern wirken. Die zwei Anregungsmöglichkeiten führen zu Interferenzen im differentiellen Wirkungsquerschnitt, die von der Polarisation der anregenden Photonen abhängen. Diese Interferenzstrukturen werden analog zu denen von elastischen Stößen Stueckelbergoszillationen genannt.
Üblicherweise wird bei den Experimenten mit statistischen
Ensembles ein Fluoreszenznachweis verwendet. Ein differentieller,
winkelaufgelöster Nachweis ist damit jedoch nicht möglich.
Um dieses bei vorliegendem Experiment zu erreichen, wird die Polarisation
des Lichtes und die Stoßkinematik festgelegt.
Außerdem erweist es sich als notwendig, für den differentiellen Nachweis des angeregten Alkali-Atoms als Stoßprodukt ein anderes Verfahren zu verwenden.
Zum Nachweis werden die angeregten Alkali-Atome mit einem weiteren Laser in einen Rydbergzustand nahe der Ionisationsgrenze angeregt. Die Lebensdauer eines solchen Rydbergzustandes ist lang genug, um die Flugzeit bis zum Detektor zu überdauern. Diese Flugzeiten liegen typisch im Bereich von 70 Mikrosekunden (zum Beispiel hat das Na(3p) nur eine typische Lebensdauer von 16 Nanosekunden). Im Detektor werden die Rydbergatome feldionisiert und mit einem Einzelkanalvervielfacher (Channeltron) nachgewiesen.
Da die Laser gepulst sind (etwa 10 Nanosekunden Pulslänge), läßt
sich über eine Laufzeitmessung die Geschwindigkeit der Atome nach
dem Stoß bestimmen. Der Detektor wird Rydbergdetektor genannt.
Durch Variation der Wellenlänge des Nachweislasers kann
einerseits der nachzuweisende Feinstrukturzustand ausgewählt werden,
außerdem kann so überprüft werden, daß es sich
ausschließlich um ein Signal der zu untersuchenden Stoßprodukte
handelt.