Dr. O. Hoffmann: Direkte Beobachtung von Stoßpaaren

Prinzip

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(3p_{1/2, 3/2}), B ist ein Edelgas oder ein Molekül.
oder
A = Li(2s) und A^* = Li(2p_{1/2, 3/2}), B ist Ne, He, D₂, H₂ (ortho oder para)
oder
A = K(4s) und A^* = K(4p_{1/2, 3/2}), B = Ar
oder
A = Ca(4s) und A^* = Ca(4p) beziehungsweise Ca(3d), B = Ar

Prinzip im Potentialkurvenbild

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 r_c entspricht, ist die Resonanzbedingung erfüllt.
Statt der Photonenenergie hf wird üblicherweise die Verstimmung (detuning) hf - hf_Resonanz angegeben. Als Bezugsenergie wird der D₁-Übergang benutzt. Im Falle von Natrium ist das Na(3p_1/2) -> Na(3s_1/2).
Durch die Verstimmung wird der Kernabstand r_c festgelegt. r_c 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 im Trajektorienbild

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 v_rel und v'_rel geben die Richtungen der Relativgeschwindigkeiten vor und nach dem Stoß an.
r_Condon 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 r_i). 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.

Differentieller Nachweis

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.