碰撞光谱学习教案

1、会计学1碰撞碰撞(pn zhun)光谱光谱第一页，共35页。两体碰撞两体碰撞(pn zhun)类型类型1，化学组成，化学组成(z chn)守恒守恒2，内态守恒，内态守恒3，动能守恒，动能守恒4，动量守恒，动量守恒A + BA + BA* + B（弹性（弹性(tnxng)碰撞碰撞）（非弹性碰撞）（非弹性碰撞）1，化学组成守恒，化学组成守恒2，内态不守恒，内态不守恒（其中一者（其中一者 或两者内态发生变化）或两者内态发生变化）3，动能不守恒，动能不守恒4，动量守恒，动量守恒C + D1，化学组成不守恒，化学组成不守恒2，内态不守恒，内态不守恒3，动能不守恒，动能不守恒4，动量守恒，动量守恒（反应碰

2、撞）（反应碰撞）第1页/共35页第二页，共35页。第第13.1节节 碰撞展宽碰撞展宽(zhn kun)和频移和频移光谱光谱非弹性碰撞（只有非弹性碰撞（只有(zhyu)加宽，没有频移）加宽，没有频移）弹性弹性(tnxng)碰撞（即有展宽，也碰撞（即有展宽，也有频移）有频移）bs（其中，加宽截面，频移截面）2202/ )()()(colnCI22002/ )()()(2)(bBnsBbBnvNvNvNII第2页/共35页第三页，共35页。相互作用势最小相互作用势最小接触参数接触参数b：无相互作用两粒子：无相互作用两粒子(lz)的最小距离的最小距离软碰撞软碰撞(pn zhun)硬碰撞硬碰撞(pn z

3、hun)软碰撞：能级移动小，软碰撞：能级移动小，线核线核硬碰撞：能级移动大，硬碰撞：能级移动大，线尾线尾第3页/共35页第四页，共35页。碰撞过程碰撞过程(guchng)的亚的亚Doppler光谱光谱自发辐射自发辐射(z f f sh)线宽内的无线宽内的无Doppler光谱（光谱（Lamb dip）Lamb dip边界条件边界条件kv/sinkv/sin碰撞过程能够改变粒子运动碰撞过程能够改变粒子运动(yndng)的角度的角度Lamb dip内内Lamb dip外外速度与速度与x,y平面夹角小于临界角的原子贡献在平面夹角小于临界角的原子贡献在Lamb dip 内内第4页/共35页第五页，共35

4、页。软碰撞：改变粒子软碰撞：改变粒子(lz)角度小，不影响吸收频率，但是影响相位角度小，不影响吸收频率，但是影响相位Lamb dip内展宽内展宽硬碰撞：改变粒子角度硬碰撞：改变粒子角度(jiod)大，吸收频率离开大，吸收频率离开dip区域区域Lamb dip外展宽外展宽不同不同(b tn)气压下，不同气压下，不同(b tn)碰撞对线型影响碰撞对线型影响线核展宽线核展宽软碰撞软碰撞线尾展宽线尾展宽硬碰撞硬碰撞1.4mbar30mbar79mbar第5页/共35页第六页，共35页。第第13.2节节 激发态非弹性碰撞激发态非弹性碰撞(pn zhun)截面测量截面测量1，抑止截面（由于，抑止截面（由于

5、(yuy)碰撞使激发态布局数减少，从而原子发出荧光减少碰撞使激发态布局数减少，从而原子发出荧光减少抑止）抑止）Quenching cross sectionElectric state transition第6页/共35页第七页，共35页。2，碰撞诱导，碰撞诱导(yudo)转动振动跃迁转动振动跃迁碰撞碰撞(pn zhun)在寿命在寿命 范围内发生范围内发生, *表示激发态表示激发态M粒子粒子(lz)内能变化内能变化 转移到转移到B粒子粒子(lz)内能或者两粒子内能或者两粒子(lz)的动能的动能在荧光谱中，碰撞过程使主光谱在荧光谱中，碰撞过程使主光谱(parent)周围出现其他的光谱结构周围出现

6、其他的光谱结构(collision induced satellite)碰撞信息碰撞信息频率频率碰撞后的能级碰撞后的能级强度强度碰撞截面碰撞截面偏振偏振碰撞的消极化度碰撞的消极化度Na2分子碰撞后在分子碰撞后在parent峰周围峰周围出现很多碰撞光谱线出现很多碰撞光谱线第7页/共35页第八页，共35页。数率方程（数率方程（k, m为转动振动能级为转动振动能级(nngj)）：）：R碰撞碰撞parentsatellite稳态解稳态解0nN假定假定(jidng)Satellite 和和parent 的比的比谱线相对强度谱线相对强度由碰撞由碰撞(pn zhun)荧光谱荧光谱线线碰撞碰撞(pn zhun

7、)截面截面第8页/共35页第九页，共35页。3，电子能量的碰撞，电子能量的碰撞(pn zhun)转移转移相互作用能（相互作用能（Rc处相交处相交(xingjio)）内能可以转换为碰撞伙伴的内能或者两粒子的动能内能可以转换为碰撞伙伴的内能或者两粒子的动能(dngnng)，在，在Rc处发生碰撞能态转移处发生碰撞能态转移内能碰撞转移内能碰撞转移能量共振：内能转化为内能能量共振：内能转化为内能第9页/共35页第十页，共35页。4，两激发态原子的碰撞，两激发态原子的碰撞(pn zhun)能量聚集能量聚集两激发态原子碰撞时，一个两激发态原子碰撞时，一个(y )原子激发到更高电子态，另一原子驰豫到更低电子态

8、原子激发到更高电子态，另一原子驰豫到更低电子态碰撞碰撞(pn zhun)几率几率碰撞到碰撞到 截面截面通过探测相应的更高激发态的荧光通过探测相应的更高激发态的荧光碰撞几率碰撞几率由于两激发态的能量之和大于分子电离能由于两激发态的能量之和大于分子电离能产生分子电离态产生分子电离态第10页/共35页第十一页，共35页。5，自旋，自旋(z xun)反转光谱反转光谱碰撞使自旋改变碰撞使自旋改变(gibin)，再利用光谱研究碰撞后自旋态的分布，再利用光谱研究碰撞后自旋态的分布态制备态制备(zhbi)自旋反转碰撞自旋反转碰撞光探测光探测态制备态制备2/1,32/1smS电子碰撞电子碰撞(自旋反转自旋反转)

9、2/3, 2/1, 2/1 , 2/3,32/3smP探测：探测：利用不同频率的激光泵浦不同自旋态，再通过荧光探测利用不同频率的激光泵浦不同自旋态，再通过荧光探测第11页/共35页第十二页，共35页。第第13.3节节 基态碰撞基态碰撞(pn zhun)跃迁跃迁基态基态(j ti)能量能量能量转换能量转换(zhunhun)形式形式振动能振动能振动能振动能振动能振动能转动能转动能振动能振动能电子能电子能振动能振动能平动能平动能（温度）（温度）例如例如N2分子的振动能转移给分子的振动能转移给CO2的振动能量的振动能量第12页/共35页第十三页，共35页。1，时间分辨的吸收，时间分辨的吸收(xshu)

10、和双共振探测和双共振探测激发态的碰撞可以用荧光探测，基态碰撞则激发态的碰撞可以用荧光探测，基态碰撞则可以用吸收可以用吸收(xshu)和双共振吸收和双共振吸收(xshu)方法方法泵浦光泵浦光荧光荧光(ynggung)/粒子数粒子数1，泵浦光清除，泵浦光清除2，等待不同时间，等待不同时间（碰撞布居到（碰撞布居到i态）态）3，探测光激发，探测光激发i态，并监视态，并监视3态荧光态荧光稳态：稳态：R碰撞碰撞步骤步骤光泵结束后（光泵结束后（i态粒子数小）态粒子数小）第13页/共35页第十四页，共35页。如果如果(rgu)光泵过程不影响光泵过程不影响m态态0mmNN驰豫常数驰豫常数(chngsh)约和质量

11、约和质量(zhling)时间常数时间常数相对速度相对速度在泵浦过程后，粒子数又以指数形式回复到稳态在泵浦过程后，粒子数又以指数形式回复到稳态第14页/共35页第十五页，共35页。2，高振动态，高振动态(dngti)碰撞碰撞高振动态分子碰撞后，可以高振动态分子碰撞后，可以(ky)将分子解离为原子将分子解离为原子制备高振动态制备高振动态(dngti)分子的方法分子的方法1，多光子过程，多光子过程2，单光子泵浦，单光子泵浦3，受激，受激Raman过程过程多光子多光子单光子泵浦单光子泵浦受激受激Raman)(vDkinEEE解离能解离能振动能振动能动能动能分子解离分子解离第15页/共35页第十六页，共

12、35页。2，反应，反应(fnyng)碰撞光谱碰撞光谱优点：优点：1，通过选择不同，通过选择不同(b tn)反应物的内态，研究反应速度对内态的依赖性反应物的内态，研究反应速度对内态的依赖性2，在特定初始条件下，研究不同，在特定初始条件下，研究不同(b tn)反应路径的相对反应几率反应路径的相对反应几率分子研究小组：重点项目，分子研究小组：重点项目，135规划规划 改变分子反应改变分子反应(fnyng)轨道，研究超快反应轨道，研究超快反应(fnyng)动力学动力学第16页/共35页第十七页，共35页。3，光助碰撞，光助碰撞(pn zhun)能量转移能量转移碰撞碰撞(pn zhun)形形成分子成分子

13、分子吸收分子吸收(xshu)光子形成激发光子形成激发态态激发态分子解离为激发态原子激发态分子解离为激发态原子满足条件满足条件*)()(ABEABEEh大的大的FrackCondon系数系数对于激发态原子对于激发态原子)()(*intBEAEEEkin碰撞几率小碰撞几率小（背景气体温度抑止碰撞粒子获得更高动能）（背景气体温度抑止碰撞粒子获得更高动能）碰撞几率大碰撞几率大第17页/共35页第十八页，共35页。光能帮助光能帮助(bngzh)解决能量守恒问题，从而提高碰撞截面解决能量守恒问题，从而提高碰撞截面分子分子(fnz)模型模型)()(*intBAEABEE当当AB*放出一个光子也可以放出一个光

14、子也可以(ky)产生产生A*B第一步：第一步：需要激光需要激光1产生激发态产生激发态A*第二步：第二步：需要激光需要激光2转移激发态从转移激发态从 A*到到B*原子模型原子模型*BAAdress state分子模型分子模型原子模型原子模型dress state第18页/共35页第十九页，共35页。3，光缔合，光缔合(d h)产生分子产生分子外拐点激发外拐点激发(jf)得到激发得到激发(jf)态分态分子子内拐点自发或者内拐点自发或者(huzh)受激辐射受激辐射得得到紧束缚态分子到紧束缚态分子缔合法优点：缔合法优点：1，特定转动振动态超冷分子，特定转动振动态超冷分子2，基态和激发态分子能级结构，基

15、态和激发态分子能级结构3，超冷化学反应，超冷化学反应第19页/共35页第二十页，共35页。第第13.4节节 超冷分子超冷分子(fnz)形成形成分子分子(fnz)表述表述212121.SSSSSSS212121.LLLLLLL.,.2 , 1 , 0L/含两原子轴线的面对含两原子轴线的面对(min du)称（只有称（只有L=0存在）存在）中心对称中心对称（只有（只有homonuclear存在）存在）ug /12ugS超冷极性分子（异核）研究小组超冷极性分子（异核）研究小组1, JILA （Jin/Ye, K40Rb87）2, Innsbruck (Grimm, K40Rb87)3, Hambur

16、g (Sengstock, K40Rb87)4, Yale (Demille, Rb85Cs133)5, Tokyo (Ueda, K41Rb87)6, Conneticut (Could, K39Rb85)7, MQP (Singapore) (Dieckmann, K40Li6).第20页/共35页第二十一页，共35页。1, Jins groupK40+Rb87 Feshbach ResonanceThree resonance pointsG492G512G543WidthG2 . 07 . 0G2 . 04 . 0G5 . 17 . 32/9, 2/91 , 14087 KRb第21页

17、/共35页第二十二页，共35页。Ultracold molecule K40Rb872/7, 2/92/9, 2/9molecule1 , 11 , 1Atom-atom rf transitionAtom-molecule rf transitionAtom molecule: 25%Step 1: B scanStep 2: rf第22页/共35页第二十三页，共35页。Ground state molecule （ K40Rb87 ）1, Triplet ground state3a0v0NvibrationrotationIntermediate state (have big Fran

18、ck Cordon factor with i and g)3210v0N1，转换，转换(zhunhun)效率效率 562，电耦极矩，电耦极矩 D=0.052 Debye3，寿命：，寿命：t=170usFeshback molecule 电耦极矩电耦极矩 DebyeD11105第23页/共35页第二十四页，共35页。2, Singlet ground state (absolute ground)1X0v0NvibrationrotationIntermediate state (have big Franck Cordon factor with i and g)3223v0N1，转换效率，

19、转换效率(xio l) 832，电耦极矩，电耦极矩 D=0.566 Debye3，寿命：，寿命：t=30ms第24页/共35页第二十五页，共35页。Control chemical reaction （ K40Rb87 ）KRb+KRb K2+Rb2KRb+KRb K2Rb+RbKRb+KRb K+KRb2K+KRb K2+RbRb+KRb K+Rb2振动、转动振动、转动(zhun dng)和电子和电子基态基态1X0v0N核自旋核自旋(z xun)态选择：态选择：K, 4-4; Rb, 3/2-3/2碰撞碰撞(pn zhun)反应类反应类型型第25页/共35页第二十六页，共35页。K40Rb8

20、7 单自旋单自旋(z xun)态态2/1 , 4由于极性分子是费米子，在低温下只有由于极性分子是费米子，在低温下只有(zhyu)p波散射，所以分子先遂穿波散射，所以分子先遂穿p波波势垒，再发生碰撞。势垒，再发生碰撞。 单（单（-4,3/2）是最低能态，不能发生自旋反转）是最低能态，不能发生自旋反转(fn zhun)碰撞，所以损失只能是反应碰撞碰撞，所以损失只能是反应碰撞单（单（-4,1/2）与（）与（-4,3/2）损失行为一样，所以两者在）损失行为一样，所以两者在低温条件下，反应碰撞占主动低温条件下，反应碰撞占主动 （-4,3/2）+ （-4,1/2）可以发生）可以发生s波碰撞，损失快。波碰撞

21、，损失快。第26页/共35页第二十七页，共35页。绝对绝对(judu)基态基态KRb2/3 , 4Rb1 , 1K2/9 , 2/9无自旋反转无自旋反转(fn zhun)碰撞碰撞K+KRb K2+Rb （放热反应（放热反应(fn r fn yng)反应快）反应快）Rb+KRb K+Rb2（吸热反应（吸热反应反应慢）反应慢）第27页/共35页第二十八页，共35页。Stereodynamics of chemical reaction （ K40Rb87 ）1, 2D optical lattice: z方向制备少振动态方向制备少振动态(dngti)2，电场，电场(E): 电耦极矩电耦极矩z方向取

22、向方向取向Stereo:1，不同电子内态，不同电子内态2，相同电子内态，两个，相同电子内态，两个(lin )z方向振动态（动量态）方向振动态（动量态）3，相同电子内态，相同振动态，相同电子内态，相同振动态第28页/共35页第二十九页，共35页。2，相同电子，相同电子(dinz)内态，不同振动态（内态，不同振动态（head to tail）反应快反应快3，相同，相同(xin tn)电子内态，相同电子内态，相同(xin tn)振动态（振动态（side by side）反应慢反应慢1，不同电子，不同电子(dinz)内态，内态，反应反应快快Molecule No versus timeMolecule

23、 decay versus Dipole moment (Electric field)第29页/共35页第三十页，共35页。2, Sengstocks group2/9, 2/91 , 14087 KRbGB) 1 (8 .5460GB9 . 2K40+Rb87 Feshbach Resonance第30页/共35页第三十一页，共35页。Ultracold molecule K40Rb87Atom-atom rf transitionAtom-molecule rf transitionRf associate molecule and detect molecule/atom3D optical lattice (one atom in each site):1, motional energy in ground state 2, no molecule collision long li