束－箔光譜學

束－箔光譜學是最近二十年國際上發展起來的一門新興學科。主要內容是，用被加速的離子撞擊不同元素的薄箔的方法研究基礎原子物理學、測量電子能級的平均壽命。

基本介紹

• 中文名：束－箔光譜學
• 方法：基礎原子物理學
• 理論：加速的離子撞擊不同元素
• 學科：原子、離子等

基本信息

快速離子在穿過固體箔靶的過程中被激發，當它退激時會發射出能量相應的光子。束－箔光譜學就是通過這種“束－箔光”的觀察來研究原子、離子等的性質的學科。束－箔光譜學所研究的內容包括原子或離子的光譜、能級、激發態的壽命，原子光譜的精細結構和原子光譜的超精細結構,包括蘭姆移位,以及原子和核的極化等，並由此進一步探討離子同固體原子相互作用機制等。

實驗裝置　束－箔光譜學的實驗裝置如圖1所示。通常利用加速器產生高速的正離子束,通過磁分析器進行質量分析,選出同位素純的正離子束，經準直後引入真空靶室。靶室中裝有自支撐箔靶（常用厚度為5～20μg/cm的碳箔,也有用鈹、金等其他材料,甚至氣體靶的,見核靶製備技術）。離子束穿過箔靶時的電荷交換過程（進一步電離或俘獲電子），使它們能處於各種電離態或激發態。這些粒子在穿過箔後的飛行路程中因自發衰變而發射光子。通常在同束垂直的方向上用單色儀等對出射光進行分析。有時離子束還通過一靜電分析器以精密測量其速度。最後用法拉第圓筒收集正離子束，束流積分儀記錄，用來對光子束流強度進行歸一。

特點介紹

束－箔光譜學束－箔光譜學研究特點　① 隨著全離子加速器的發展，幾乎可以研究自然界存在的任一種元素。這種光源可以得到同位素純的發光體而且完全沒有軔致輻射的本底，這在傳統的離子光源中是辦不到的。

圖1：束－箔光譜學

② 可以研究各階電離態和各種激發態的離子。如主量子數很高的激發態和離子中有二個以上電子處於激發態的多重激發態。還可以用改變離子能量（從幾十千電子伏提高到幾百兆電子伏）的方法來改變穿過箔後的離子束的電離度，從而獲得一般光源無法得到的高階電離譜線十分豐富的離子光譜。圖2是氯－Ⅶ的衰變能級圖。其中只有下面的二條譜線曾在其他氯離子光源的光譜中出現，而上面整個能級圖都是基於束－箔光譜的測量技術得到的。

圖2：氯－Ⅶ的衰變能級圖

③ 發光的粒子幾乎以恆定的速度運動，利用飛行時間技術可以測量有關光譜項激發態的壽命。在最簡單的情況下，所研究的譜線強度隨著離開箔的距離按=exp(-/υτ)的規律減小。測出箔後粒子的速度υ，由、等實驗數據就可得出待測激發態的能級壽命τ。這個方法的好處是因為離子飛行的速度很大(例如0.4MeV的氦離子的速度約為4.4×10m/s)，可以利用易於達到的毫米量級空間解析度來測短於納秒量級的壽命。從測到的壽命可以計算輻射的躍遷幾率來驗證原子結構的理論模型。此外，在天體物理研究中，通常通過觀察光譜線的強度再根據躍遷幾率計算而得到太陽和星球中化學元素的含量。束－箔光譜可用來模擬星球上的高激發態和高電離態光譜從而獲得有實際意義的躍遷幾率。W.惠林等人在1969年用束-箔法測量了鐵－I的壽命，證實在太陽的光球里鐵的蘊藏量比以前報導的大9倍。這樣就消除了過去認為在太陽光球和日冕中測到的鐵的豐度不一樣的問題。人們也曾用束－箔法對鈧、鈦、釩、鎳、鈣等多種同天體物理有關的元素，進行了原子能級壽命的測量。

④ 量子拍，由於箔很薄，離子的速度很高，束－箔光的激發幾乎是瞬發的,Δ≤10s。因而激發態能量就有不確定性。受激粒子所在的某一激發態（初態）可能是兩個或多個間隔極小的能級的疊加。由這樣疊加的幾個初態能級的躍遷到同一末態時,會產生干涉效應,導致光強除了隨時間（或離箔距離）指數衰減以外，還有周期性的調製，稱為量子拍。其拍頻可用來量度原子或離子能級的裂距。這些能級的分裂可以由精細或超精細相互作用形成，也可由外場作用引起。因此束－箔光譜測量也是研究原子，特別是離子光譜的精細結構和超精細結構的有效方法。圖3是氦2sS─3pP三重態3889┱線的無外場量子拍,測得拍頻為658.55MHz。它對應的能級裂距只有3889┱這條譜線對應的上下一個能級間距的百萬分之一。

束－箔光譜學

束－箔光譜學⑤ 當用傾斜箔靶時，由於束－箔作用的非對稱性，可以獲得極化的原子，並通過超精細相互作用把極化傳遞給核。這樣產生的極化原子核有可能用來進行極化核反應的研究。

圖3：束－箔光譜學

⑥ 束－箔光源也存在某些固有的缺點：運動光源的都卜勒頻移和展寬（見譜線增寬），限制了波長測量的精度，一般在5000┱處要使譜線寬度小於 0.5┱是很困難的；另外束－箔光譜中經常產生的級聯效應（幾個能級逐級躍遷）往往限制了測量能級壽命的精確度，把誤差降到5%以下通常也難做到。

為了消除級聯效應，已有許多束箔光譜實驗室又採用了通過雷射與離子束相互作用，選擇性地使離子共振激發到某一確定的能級的方法。這種方法同樣也用於研究原子光譜，能級壽命，精細結構與超精細結構等，實驗數據更為精確。事實上束箔光譜學已發展成為“快離子光譜學”。快離子光譜學除了研究離子束同固體箔靶、氣體靶作用外還研究離子束同雷射的相互作用，離子束同離子束的作用以及離子束同電子束的相互作用等。