Ядра в лучах лазера - Гангрский Ю.П.
Скачать (прямая ссылка):
Лазерная спектроскопия позволяет исследовать та-
20
кие сдвиги для изомерных состояний с временами жизни ~ 1 МКС.
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОДИНОЧНЫХ АТОМОВ
В проводимых в настоящее время исследованиях часто оказывается, что интересные по своим свойствам ядра получаются в ультрамалых количествах. Такова ситуация с ядрами далеких трансурановых элементов, изомеров, имеющих существенно несфернческую форму ядер, изотопов, распадающихся необычными способами (испусканием протона, одного или нескольких нейтронов). Например, в опытах по синтезу 104-го элемента, названного курчатовием, которые проводились в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна) под руководством академика Г. Н. Флерова, за 6 ч работы самого мощного в мире ускорителя многозарядных ионов удавалось получить всего 1 атом.
Традиционный метод исследования ядер заключается в измерении радиоактивного излучения, испускаемого при их распаде. По энергии этого излучения определяется атомный номер и массовое число последующих ядер, а по интенсивности — их количество. В упомянутых опытах по синтезу 104-го элемента высокая чувствительность измерений объясняется коротким временем его жизни (оно составляет около 0,1 с, поэтому все образующиеся ядра распадались за время эксперимента) и удобством для регистрации вида радиоактивного излучения — осколками спонтанного деления, которые имели большую энергию и поэтому их легко можно было выделять на фоне остального излучения.
Однако в целом ряде случаев период полураспада изучаемого ядра может составлять многие годы, поэтому лишь небольшая часть ядер распадается во время эксперимента, а испускаемое при их распаде излучение (например, ?- или Y-лучи низкой энергии) трудно отделить от фона. В таких условиях для проведения эксперимента требуются многие миллионы атомов, и уменьшить это число можно только С ПОМОЩЬЮ НОВЫХ MeTQ-
ДОВ.
Широкие перспективы в этом направлении открывает использование лазерного излучения, позволяющего значительно поднять чувствительность измерений, Этот
21
метод основан на тех же принципах, что и известный уже более ста лет метод спектрального анализа оптического излучения. Атом каждого элемента имеет присущий только ему спектр излучения, который отражает схему его атомных уровней. Измерение этого спектра определение резонансных частот и ^інтенсивностей отдельных линий) позволяет идентифицировать элемент и определить число атомов. Однако для таких измерений требуется значительное число атомов.
Использование лазеров с перестраиваемой длиной волны позволяет по-новому подойти к решению этой задачи. Резонансные частоты определяются по изменению выхода возбужденных атомов при сканировании длины волны лазерного излучения, падающего на эти атомы. Высокие интенсивность и монохроматичность этого излучения дают возможность значительно снизить требуемое число атомов. Широкий круг исследований, которые показали возможность детектирования и идентификации таким способом одиночных атомов, был впервые проведен в Институте спектроскопии АН СССР профессором В. С. Летоховым с сотрудниками. Этот метод основан на том, что каждый атом, попавший в область лазерного излучения с энергией, соответствующей одному из его возбужденных состояний, переводится в это состояние за время, меньшее 1O-8 с. Далее атом может быть зарегистрирован одним из двух способов (рис. 5).
Первый способ. Возбужденный атом спонтанно испускает фотон и возвращается в основное состояние за время, характерное для возбужденного уровня (обычно это время составляет 10~8—10~7 с). После этого следует новое поглощение и новое спонтанное испускание фотона. Если область взаимодействия лазерного излучения с атомом составляет 1 см, то при тепловой скорости атома 104 см/с он пересечет эту область за Ю-4 с и испустит 103—104 фотонов, которые с помощью линз можно направить на фотокатод электронного умножителя. Обычно квантовый выход фотокатода составляет около 10%, поэтому с него будет испущено 102—103 фотоэлектронов и на выводе электронного умножителя появится импульс, лежащий выше уровня шумов и достаточный для его наблюдения. По амплитуде он сравним с импульсом, возникающим при регистрации -у-кванта с энергией 100—200 килоэлектронвольт, т. е. происходит усиление в 103—104 раз*
22
Рис. 5. Регистрация единичных атомов с помощью лазерного излучения: а — по резонансной флуоресценции; б — по фотоионизации. Цифрами показаны ступени возбуждения атома
Второй способ. Возбужденный атом захватывает еще один световой квант и переходит в более высокое возбужденное состояние, близкое по энергии к потенциалу ионизации. После этого можно ионизировать атом с помощью импульса электрического поля. В ряде случаев двух ступеней' возбуждения оказывается недостаточно, и для достижения потенциала ионизации требуется последовательное поглощение трех фотонов. В этом методе предпочтительнее использовать импульсные лазеры, имеющие большую мгновенную мощность, с тем чтобы за время жизни промежуточного уровня (Ю-8—10-7 с) с заметной вероятностью происходило поглощение нового светового кванта. Образующийся ион можно электрическим полем извлечь из области взаимодействия с лазерным излучением. При этом он ускорится до энергии в несколько десятков килоэлектронвольт и легко может быть зарегистрирован фотоумножителем с открытым катодом. Итак, резонансное лазерное излучение, воздействуя на вещество, приводит к возникновению либо серии фотонов, либо иона с достаточно большой энергией; таким образом, создаются условия для регистрации отдельных атомов.
