劉 靜, 封 麗, 戴 康, 沈異凡

(新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

Na2高位振動(dòng)態(tài)與Ar, N2碰撞中模溫度的變化

劉 靜, 封 麗, 戴 康, 沈異凡

(新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

平衡過程; 模溫度; 受激發(fā)射泵浦; Na2高位振動(dòng)態(tài); 激光誘導(dǎo)熒光

1 引 言

含有高振動(dòng)態(tài)分子的氣體集合體中的碰撞能量轉(zhuǎn)移過程在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中有很大意義. 例如, 在大氣中, 由于太陽輻射、高能粒子碰撞和化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生高振動(dòng)態(tài)分子, 它們對(duì)空氣質(zhì)量(如O3, N2O的形成等)有很大的影響. 在這一領(lǐng)域, 仍存在著很多問題. 例如, 處于非Boltzmann分布的激發(fā)態(tài)分子等離子體至今沒有充分表征;含有大量原子、離子、分子激發(fā)態(tài)的激光系統(tǒng)怎樣實(shí)現(xiàn)商業(yè)化利用等. 這些問題引起了國(guó)內(nèi)外工作者的很大興趣, 成為原子分子碰撞領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題.

利用受激發(fā)射泵浦[1,2]、泛頻泵浦[3,4]、脈沖激光光分解[5,6]等方法激發(fā)基態(tài)分子至高位振動(dòng)態(tài), 通過時(shí)間分辨激光感應(yīng)熒光(LIF)激發(fā)譜測(cè)量各振轉(zhuǎn)能級(jí)的相對(duì)布居分布, 可以用振動(dòng)溫度(Tvib)和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度(Trot)來表征. 例如, 在堿原子和H2反應(yīng)中, 利用Tvib、Trot來描述氫化堿分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的原生態(tài)布居, 由此可判斷是直線式或插入式碰撞機(jī)制[7]. 在C8H10高位振動(dòng)態(tài)與CO2碰撞中, CO2(0000)高位轉(zhuǎn)動(dòng)J態(tài)的原生態(tài)分布可用Trot表征[8].

在含有分子振動(dòng)激發(fā)態(tài)的系統(tǒng)中, 平衡過程是一個(gè)復(fù)雜的多次碰撞的能量轉(zhuǎn)移過程. McCaffery等[9-11]利用角動(dòng)量理論計(jì)算了雙原子分子振轉(zhuǎn)激發(fā)態(tài)與氣體分子多次碰撞中的量子態(tài)演化過程, 得到結(jié)論:振動(dòng)-振動(dòng)能量轉(zhuǎn)移很快, 而轉(zhuǎn)動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)移慢得多;高振動(dòng)態(tài)模溫度的變化是分階段的. 在本實(shí)驗(yàn)中, 利用受激發(fā)射泵浦得到Na2基電子態(tài)的高位振動(dòng)態(tài)v″, 通過碰撞弛豫使低于v″的各振動(dòng)能級(jí)獲得布居. 利用時(shí)間分辨LIF光強(qiáng)得到各振動(dòng)能級(jí)的相對(duì)布居分布, 由此給出Boltzmann振動(dòng)溫度Tvib的變化情況;測(cè)量高位振動(dòng)態(tài)上各轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的時(shí)間分辨LIF強(qiáng)度, 得到轉(zhuǎn)動(dòng)溫度Trot隨時(shí)間的變化; 通過測(cè)量瞬時(shí)高位振轉(zhuǎn)能級(jí)的Doppler增寬, 得到平動(dòng)溫度Ttrans. 本實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論與角動(dòng)量理論得到的預(yù)言是一致的.

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1. 樣品池為5臂交叉熱管爐, 4臂形成平面交叉, 第5臂與它們垂直, 其底部放置堿金屬Na, 樣品池與真空及氣體充入系統(tǒng)連接. 在充入Ar和N2前將樣品池烘烤去氣, 真空度達(dá)到10-4Pa后分別充入約103Pa的N2或104Pa的Ar. 用電熱器加熱樣品池, 池溫由熱電偶測(cè)量, 池中心溫度約為553 K, 此時(shí)Na原子密度為1014cm-3量級(jí), 其中Na2分子約占1～4%.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup H.P.O: Heat-pipe oven; M: monochromator; DM: dichroic mirror; L: lens

圖2 受激發(fā)射泵浦和探測(cè)能級(jí)圖Fig.2 Energy diagram for Pump-Dump and Probe scheme

另外, 由于存在分子的擴(kuò)散, 調(diào)節(jié)激光束, 使三激光束同軸. 并使Dump束直徑大于Pump束1倍, Probe束又大于Dump束1倍, 以保證檢測(cè)到擴(kuò)散分子的振動(dòng)態(tài)布居分布.

圖3為792.7 nm激光將X(33, 11)激發(fā)到A(21, 10)后, 由v′=21分別發(fā)射到v″=0-4的LIF光譜, 證實(shí)了X(33, 11)確實(shí)被受激發(fā)射泵浦激發(fā).

圖3 Na2 A(v′=21, J′=10)←X (v″=33, J″=11)激光感應(yīng)熒光光譜(部分)Fig.3 Portion of LIF spectrum of Na2 in the A(v′=21, J′=10)←X (v″=33, J″=11) transition

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

It(v″,J″)=ASJ′,J″Fv′,v″nt(v″,J″)Iprobe

(1)

這里I(v″,J″)和n(v″,J″)分別是LIF強(qiáng)度和(v″,J″)態(tài)的布居數(shù)密度, 它們都是時(shí)間t的函數(shù).SJ′,J″和Fv′,v″分別是H?nl-London和Franck-Condon因子, LIF強(qiáng)度也與檢測(cè)激光強(qiáng)度Iprobe成比例.但要求probe激光未達(dá)到飽和功率. 常數(shù)A包含其他一些因子, 如激發(fā)效率、熒光收集立體角和探測(cè)率等. 用vp,Jp表示由受激發(fā)射泵浦準(zhǔn)備的高位振動(dòng)態(tài),v″表示碰撞轉(zhuǎn)移得到的振動(dòng)態(tài).ft(v″,Jp)表示粒子數(shù)之比隨時(shí)間的變化

(2)

(3)

這里,v′是A態(tài)振動(dòng)能級(jí), 觀察的是vp→v′和v″→v′的LIF光強(qiáng).

利用

(4)

得到Boltzmann振動(dòng)溫度Tvib. 上式中kTvib單位為cm-1. 由圖5的斜率得到Tvib(tD=10 μs)=4500 K.

圖4 泵浦v″=33后延遲10μs時(shí)v″=30-33能級(jí)的布居比Fig.4 Vibrational state fractional populations of Na2(v″) after preparation of v″=33 (tD=10 μs)

激發(fā)Na2(v″=33,J″=11)高位態(tài), 檢測(cè)激光探測(cè)(v″=33,J″=10,9,8,7…)轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)的時(shí)間分辨LIF光強(qiáng). 設(shè)tD=0時(shí),J″=11的布居為1, 得到各轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)布居相對(duì)密度βJ″(tD), 有下式:

(5)

上式中B為Na2的轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù). 從圖6中直線的斜率得到轉(zhuǎn)動(dòng)溫度Trot=600 K. 取不同延遲時(shí)間tD, 得到Trot隨延遲時(shí)間的變化.

(6)

上式中m為Na2質(zhì)量,ν0為躍遷線頻率.

圖6 B-1ln[βJ″/(2 J″+1)]對(duì)J″(J″+1)的描繪Fig. 6 Plot of B-1ln[βJ″/(2 J″+1)] as a function of J″(J″+1) (tD=10 μs)

圖,11)的瞬時(shí)Doppler增寬線型Fig.7 ,11)

圖與Ar碰撞中模溫度隨延遲時(shí)間的變化Fig.

最初Tvib下降很慢, 因?yàn)镹a2(v″=33)-Ar之間是通過振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)移使Na2(v″=32)得到布居的. 這種轉(zhuǎn)移是很慢的, 其原因在文獻(xiàn)[12]中詳細(xì)分析過. 在第二階段, 平動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能明顯增加, 特別是碰撞粒子相對(duì)速度的增加, 可以打開V-R轉(zhuǎn)移通道, 使Tvib很快下降[10].

圖與N2碰撞中模溫度隨延遲時(shí)間的變化Fig.

可以看出, 在平衡過程中,Tvib變化明顯分為三個(gè)階段:第一階段Tvib迅速下降;第二階段降速減小;第三階段的變化最慢. 而Trot和Ttran在第一階段基本不變, 第二階段緩慢增加, 第三階段增速加快, 最后達(dá)到平衡.

最初Tvib迅速下降, 這是由于雙原子分子間的多量子弛豫和V-V能量轉(zhuǎn)移造成的. 例如, 可能存在如下快速多量子過程

Na2(v″=33)+N2(0)→Na2(v″=13)+N2(1)

(7)

從而使Tvib迅速下降. 在第二階段,V-V轉(zhuǎn)移過程基本結(jié)束,V-R能量轉(zhuǎn)移和向平動(dòng)能的轉(zhuǎn)移開始, 平動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能增加, 振動(dòng)能下降. 第三階段, 振動(dòng)能繼續(xù)下降, 平動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能明顯增加,V-R轉(zhuǎn)移加快了.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 高位振動(dòng)態(tài)分子與基態(tài)分子的碰撞傳能過程是一個(gè)復(fù)雜的多階段過程, 單一的弛豫率會(huì)失去平衡過程的關(guān)鍵特點(diǎn).

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Mode temperature evolution in collisions of highly rovibrationally excited Na2with Ar and N2

LIU Jing, FENG Li, DAI Kang, SHEN Yi-Fan

(School of Physics Science and Technology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

Equilibrium process; Mode temperature; Stimulated emission pumping; Highly vibrationally state of Na2; Laser induced fluorescence

國(guó)家自然科學(xué)基金 (11164028)

劉靜(1977—),女, 博士, 副教授, 主要研究領(lǐng)域?yàn)樵臃肿优鲎?E-mail: xdlj@xju.edu.cn

沈異凡.E-mail: shenyifan01@sina.com

103969/j.issn.1000-0364.2015.08.014

O561.5

A

1000-0364(2015)08-0611-05

投稿日期:2014-07-02