Linienverbreiterung durch Edelgase bei Übergängen zwischen angeregten Niveaus von Ba und Tl / Line Broadening for Transitions between Excited Levels of Ba and TI by Rare Gases
Authors: Naumann F. , Michel K. , Michel W. 
Published: February 2015

Abstract
Shock tube heating of Ar or Ne with about 0.01 per cent metal vapor was used to populate metastable states of Ba and TI by thermal collisions. After thermodynamic equilibrium at gas-kinetic temperatures of about 3000 K was established, quantitative line-absorption spectroscopy be-hind the reflected shock front provided relative values of optical cross-sections for transitions be-tween the metastables and higher excited states. Within experimental error results are roughly consistent with theoretical estimates on the basis of the Coulomb-approximation. Wir haben Wirkungsquerschnitte für Fremddruck-verbreiterung optischer Ubergänge bei neutralen Barium-und Thalliumatomen experimentell be-stimmt, deren untere Niveaus metastabil sind. Un-sere Ergebnisse sind Relativwerte, bezogen auf be-reits bekannte optische Querschnitte für die Reso-nanzlinien von Ba und Tl. Im Zusammenhang mit der quantitativen Auswertung kinetischer Absorp-tionsspektroskopie zur Untersuchung der Stoß-desaktivierung metastabiler Atome interessieren wir uns für diese Daten, die jedoch auch für sich ge-nommen von Bedeutung sind: Eine theoretische Be-rechnung der Wirkungsquerschnitte bzw. entspre-chender interatomarer Wechselwirkungen (für einen allgemeinen Überblick siehe 1) ist für komplizierte Atome auf zuverlässige Weise gegenwärtig nicht durchführbar. In dieser Situation könnte umgekehrt die experimentelle Untersuchung der Druckverbrei-terung von Spektrallinien dazu beitragen, den Me-chanismus der Störung eines angeregten Atomzustan-des durch ein anderes Atom zu verstehen. Ein Test für einfacbe Modellvorstellungen hierzu ist die ver-gleichende Beobachtung der Verbreiterung verschie-dener optischer Übergänge innerhalb eines Atoms. Bei solchen Experimenten muß ausreichende Be-setzung angeregter Niveaus unter gut definierten Bedingungen gewährleistet sein. Diese Möglichkeit bietet unser Meßverfahren. Es beruht auf der Erzeugung eines homogenen Gemi-sches aus Edelgas und etwa 0,01% Metalldampf im Membranstoßrohr. Dies geschieht durch Verdampfen von in Edelgas suspendierten Metallpartikeln (Ab-Reprint requests to Dr. K. b. Mündien. messung <10~ 4 cm) bei Temperaturen um 1500 °K hinter der einlaufenden Stoßwelle. Hinter der reflek-tierten Stoßfront bei Temperaturen um 3000 °K und Edelgasdichten von einigen 10 18 cm -3 können, nach thermischer Besetzung der metastabilen Ni-veaus, optische Übergänge zu höher angeregten Niveaus absorptionsspektroskopisdh beobachtet wer-den. Dazu sind in den Mantel des Stoßrohres zwei einander gegenüberliegende und bündig mit der Rohrwand abschließende Quarzfenster eingelassen. Wegen der kurzen Meßzeit (< 1 ms) stößt die Vermessung von Linienprofilen auf Schwierigkeiten. Wir haben deshalb die integrale Absorption aus einem Kontinuum (Xenonlampe Osram XBO 450 W) innerhalb eines Wellenlängenintervalls ausgewertet, das durch die Durchlaßfunktion eines Monochroma-tors bestimmt war. Die Verwendung eines Strahl-teilers hinter der Absorptionsstrecke (Stoßrohr-durchmesser) sowie zweier Monochromatoren (Zeiss M4GII und Gittermonochromator Zeiss M20) er-laubte simultane Absorptionsmessung an der Reso-nanzlinie und einer zweiten Linie des Metallatoms mit metastabilem unteren Zustand. Die Äquivalent-breiten der Absorptionsprofile lagen etwa zwischen 0,5 und 10 Ä, die absorbierende Gasschicht besaß hohe optische Dichte im Kern der beobachteten Li-nien. Der Lichtpegel am Ausgang der Monochroma-toren wurde mittels Photomultiplier gemessen, die Signalregistrierung erfolgte durch photographische Aufnahme von Oszillogrammen. Unter den gegebenen Bedingungen sind die Li-nienprofile durch Dämpfungsverbreiterung infolge von Stößen mit Trägergasatomen sowie Doppler-Verbreiterung bestimmt. Die Anwendung der Stoß-dämpfungstheorie der Linienverbreiterung ist hier gerechtfertigt (siehe 2), da die Trägergasdichte un-ter 10 19 cm~ 3 liegt und die Linienflügel bei Distan-zen ^ 12 Ä von der Linienmitte durch die Mono-chromator -Transmissionsfunktionen abgeschnitten werden. Der Bereich statistischer Verbreiterung so-wie evtl. auftretende Satellitenbanden liegen dann außerhalb des beobachteten Intervalls. Für die Re-sonanzlinien läßt sich Eigendruckverbreiterung aus-schließen auf Grund der Dichteverhältnisse und der bekannten Querschnitte für Resonanzverbreiterung 3 und Fremddrudeverbreiterung 4 . Da Druckverschie-bungen der Linienmitte in diesem Zusammenhang vernachlässigbar sind sowie möglicherweise durch Korrelation von Stoß-und Doppler-Verbreiterung hervorgerufene Asymmetrien des Profils 5 in das Gebiet totaler Absorption fallen, können wir den Absorptionskoeffizienten v. als Funktion der Ab-weichung AX von der Linienmitte X darstellen 6 durch oo "W-^/^^r (1) — oo mit k0 = rec(ji m/2 kT)* 1 * X f n ,