Ca 원자의 준 안정준위, $4s4p^3p_J$ (J

Abstract

Ca 원자의 준 안정 준위인 4s4p $^3P_J (J = 0,1,2)$ 는, 2개의 파장이 조절된 레이저(tuned lases) 나 혹은 파장이 조절된 레이저 1개와 세기가 강력한 광원을 사용하여 2단계 광 이온화 과정을 수행하는 데에 중요한 역활을 한다. 2개의 S (1 = 0) 전자를 가진 원소들 (모든 알칼리 토금속원소와 악티나이드 계열의 원소)의 동위원소는 2단계 광 이온화 과정으로 동위원소를 분리시킬 수 있다는 점에서, 준 안정 준위인 nsnp $^3P_J (J = 0,1,2)$ 에 대한 분광학적 연구는 매우 흥미를 끈다. 하지만 본 연구는 순전히 준 안정순위를 포함한 몇가지 선택된 준위에 대한 population dynamics 만에 관심을 두었다. 이미 발표된 chemi-luminescence 연구에 의하면, 4s4p $^3P_l \to$ 4s4s $^1S_o$ (ground state) 사이의 천위는 산소와 프로판의 불꽃으로써 유도시킬 수 있다. 실험결과 이 천위는 잘 일어났으나, 4S4P $^3P_J (J = 0,2) \to$ 4s4s $^1S_o$ 의 천위는 일어나지 않았다. 이와 같은 천위의 현상은 Ca 원소의 carbon arc 에서도 관찰되었다. Carbon arc 를 (i) 진공 ($\sim 10^{-3} torr$)(이때는 arc 가 불안정하였다.) (ii) Ar 기체 ($\approx 5 torr$), (iii) 공기중의 3가지 media에서 각각 실시하였다. 이 3가지의 실험결과 방출된 스펙트럼선에는 별로 차이가 없었다. 준 안정 준위와 기저 준위 사이에 3가지 천위 스펙트럼선을 관찰하기 위하여 전자 충돌 여기방법을 시도하였다. 이 장치에서는, 열전자로써 Ca 원자들을 여기시켰다. 텅스텐 filament 에서 방출된 열전자들은 $60H_z \pm 40V$ 의 전압하에서 진동을 하며, 가시 광선 영역에서 ($4000 \mbox{\AA} \sim 6600 \mbox{\AA}$) 깨끗하고, 완벽한 Ca 원자 스트라를 얻었다. 그러나 4s4p $^3P_J (J = 0,2) \to$ 4s4s $^1S_o$ 의 천위는 관측되지 않았다. 얻어낸 스펙트럼들은 $H_a$ 과 $N_e$ 의 스펙트럼을 기준으로 하여 파장을 계산했다. 본 실험에서 원자의 L - S coupling 을 파괴하지 못하기때문에 전자로 충돌하여 여기시키는 방법에서는, 4s4p $^3P_J (J = 0,2)$ 의 population 을 측정하기가 어렵다. $^3P_o$ 와 $^3P_2$ 에 원자들이 축적되는 데는 이온화된 Ca 원자들이 전자와 재 결합되면서, 이 상태로 떨어져야 한다. 이러한 이유때문에 Ca 원자를 이온화시키고, L - S coupling 을 파괴하기 위해서는 열전자에게 보다 높은 가속 전압을 가져야 한다. 2단계 광 이온화 과정을 설명하는 rate eguatron 을 정확히 유도하였고, 이 방정식에서 이온전류를 명백하게 구하였다. 2단계 광 이온화 장치는 장래의 실험을 위하여 제작하였다. Ca 원자선 장치는 사용되기 전에 필요한 자료는 실험적으로 확인하였고, 이론적으로 분석하였다. 핵 스핀 I 와 핵외 전자 J의 자기적 상호작용(magnetic interaction) 에 대한 동위원소효과(istope effed) 에 대하여도 분석하였다.