Resonance-ionization光谱学
Resonance-ionization光谱学(RIS)是一个极其敏感和高选择性分析测量方法。它使用激光排出电子从选定的类型的原子或分子,分裂成一个中立的物种正离子和一个自由电子带一个负电荷。那些离子或电子检测并通过各种方式来标识元素或计算化合物并确定样品的浓度。RIS方法起源于1970年代,现在越来越多的应用程序中使用的知识物理,化学,生物学。它应用于各种各样的实用测量系统因为它提供了高选择性的结合优势认为单原子层不同类型的原子之间和敏感性水平。
一个简单的应用原子计数器包括物理和化学的研究定义原子的数量。更高级的系统整合各种形式的质谱仪同位素选择性的提供额外的特性。这些更精心制作的RIS系统可以使用,例如,月球材料和日期陨石,研究旧的地下水和冰帽,测量中微子的输出太阳,确定微量元素在电子级材料,寻找资源,比如石油,黄金,铂,研究微量元素的作用医学和生物学,确定DNA结构,解决环境问题。
电离过程
基本的能源问题
一个基本的了解原子结构研究是必要的共振电离(见上图基本的原子结构)。除非一个原子受到一些外部影响,它将在能量最低的状态(基态)的电子系统填补那些最近的细胞核外的所有轨道一些较大的轨道包含最外层电子(价)。一个价电子可以提升到一个轨道离原子核更远如果吸收光子。开始兴奋,光子必须有一个能量,躺在一个非常狭窄的范围内,所有周围的轨道的能量核,包括空缺的严格规定量子力学。每一个元素有自己的独特的能量水平,这是两个发射光谱和吸收光谱的基础。电离原子的发生在一个电子从原子完全剥夺,喷射电离连续体。能量之间的差距被原子处于基态和能量水平在电离连续的边缘电离势。
中使用的光子能量共振(逐步)电离原子(或分子)太低直接电离原子的基态;因此,至少使用两个步骤。第一个吸收是一个共振过程中的示例所示,确保了电离不会观察,除非atom-i.e激光调谐。、操作在适当的波长。量子力学不限制在连续自由电子的能量,所以任何最低能量的光子可以完成resonance-ionization吸收过程。
与某些脉冲激光器,双光子RIS过程可以饱和,这样一个电子从每个原子中删除所选的类型。此外,电离探测器可用于单个电子和正离子。因此,单个原子可以清点。利用可调谐激光技术实现各种RIS的计划,它是可行的检测几乎每个原子元素周期表。选择性的结合特性、灵敏度和通用性使RIS适合各种各样的应用程序。
RIS的计划
在一个简单的计划,两个光子从相同的激光导致共振电离的原子,如所示。一个单一的波长必须选择激发的原子基态的吗激发态,而第二个光子电离过程完成。例如,要实现共振电离辐射铯原子的电离势只有3.9电子伏特所示,这两步的过程,适用与单色激光的波长459.3纳米,或一个光子的能量约为2.7电子伏特。(光子能量和原子能水平给出了单位的电子伏特(eV),或波长的纳米单元(纳米)。一个有用的和近似关系是容易记住,因为电动车= 1234 / nm。)已用于其他类似的计划碱原子因为这些原子也有低电离电位。
对于大多数原子,更复杂的resonance-ionization计划中所示的简单的两步过程是必需的。原子的电离电位越高,越复杂的过程。例如,惰性元素氪14.0电子伏特的电离势,需要一个更复杂的RIS计划所示的类型。第一步是在116.5纳米的波长共振跃迁,紧随其后的是第二个共振步骤558.1纳米。后续完成第二激发态的电离长波长,比如1064纳米。一代的116.5纳米辐射需要一个复杂的激光计划。另一个有用的类型的RIS方案,所示原子是兴奋水平非常靠近电离连续体和存在于所谓的里德伯态。在这样一个国家电子已经晋升为一个轨道,离原子核到目前为止几乎没有绑定。甚至是一个电场中等强度的脉冲可以移除电子并完成resonance-ionization过程。与上面讨论的方案和合理的变化,可以检测到所有元素在自然界RIS除了两个的惰性气体氦和霓虹灯。