ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Hasonló dokumentumok
ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Abszorpciós spektrumvonalak alakja. Vonalak eredete (ld. előző óra)

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

Abszorpciós spektroszkópia

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Abszorpció, emlékeztetõ

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

Abszorpciós fotometria

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Newton kísérletei a fehér fénnyel. Sir Isaac Newton ( )

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Modern Fizika Labor. A mérés száma és címe: A mérés dátuma: Értékelés: Infravörös spektroszkópia. A beadás dátuma: A mérést végezte:

Dr. JUVANCZ ZOLTÁN Óbudai Egyetem Dr. FENYVESI ÉVA CycloLab Kft

Abszorpciós fotometria

Az elektromágneses hullámok

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Az anyagok kettős (részecske és hullám) természete

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Modern fizika laboratórium

AZ ATOM. Atom: atommag + elektronfelhő = proton, neutron, elektron. Elemi részecskék

Elektrodinamika. Maxwell egyenletek: Kontinuitási egyenlet: div n v =0. div E =4 div B =0. rot E = rot B=

2, = 5221 K (7.2)

E (total) = E (translational) + E (rotation) + E (vibration) + E (electronic) + E (electronic

Atomfizika. FIB1208 (gyakorlat) Meghirdetés féléve 4 Kreditpont 3+2 Összóraszám (elmélet+gyakorlat) 3+2

2. ZH IV I.

A hőmérsékleti sugárzás

Szilárdtestek el e ek e tr t o r n o s n zer e k r ez e et e e t

ω mennyiségek nem túl gyorsan változnak

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia?

AZ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS KETTŐS TERMÉSZETE

9. Fotoelektron-spektroszkópia

A lézer alapjairól (az iskolában)

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

A Mössbauer-effektus vizsgálata

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Kvantummechanika. - dióhéjban - Kasza Gábor július 5. - Berze TÖK

Abszorpciós fotometria

Lumineszcencia. Lumineszcencia. mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Alapjai, tulajdonságai, mérése. Kellermayer Miklós

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

A fény. Abszorpciós fotometria Fluoreszcencia spektroszkópia. A fény. A spektrumok megjelenési formái. A fény kettıs természete: Huber Tamás

A csillagközi anyag. Interstellar medium (ISM) Bonyolult dinamika. turbulens áramlások MHD

Raman spektroszkópia. Történet Két leirás: Eldines, kvantumos Kiválasztási szabályok Szimmetriák Raman Intenzitás Rezonáns Raman

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Slide 1 of 60

Mérés és adatgyűjtés

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Slide 1 of 60

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

ATOMEMISSZIÓS SPEKTROSZKÓPIA

Szerves oldott anyagok molekuláris spektroszkópiájának alapjai

Elektronspinrezonancia (ESR) - spektroszkópia

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Atomok, elektronok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

A fény és az anyag kölcsönhatása

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Abszorpciós fotometria

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Fermi Dirac statisztika elemei

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Szédítő por, avagy, hogyan mérjünk 3000 Tesla-n

A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A béta-sugárzás és anyag kölcsönhatása

Magyarkuti András. Nanofizika szeminárium JC Március 29. 1

Elektronspin rezonancia

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

5. Atmoszférák. z I λ. z κ λ

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Milyen simaságú legyen a minta felülete jó minőségű EBSD mérésekhez

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Modern Fizika Laboratórium Fizika és Matematika BSc 8. Alkáli spektrumok

Kémiai alapismeretek 2. hét

KÉMIAI ANYAGSZERKEZETTAN

Boyle kísérlete. Boyle 1781-ben ónt hevített és azt tapasztalta, hogy annak tömege. Robert Boyle angol fizikus, kémikus

Szervetlen komponensek analízise. A, Atomspektroszkópia B, Molekulaspektroszkópia C, Elektrokémia D, Egyéb (radiokémia, termikus analízis, stb.

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Hőmérsékleti sugárzás

Elektronszínképek Ultraibolya- és látható spektroszkópia

Optika Gröller BMF Kandó MTI

Elektronok mozgása nanostruktúrákban 2-D elektrongáz, kvantumdrót és kvantumpötty

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Elektronok, atomok. Tartalom

Lézerek. A lézerműködés feltételei. Lézerek osztályozása. Folytonos lézerek (He-Ne) Impulzus üzemű lézerek (Nd-YAG, Ti:Sa) Ultrarövid impulzusok

Klórbenzol lebontásának vizsgálata termikus rádiófrekvenciás plazmában

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Röntgen-gamma spektrometria

Átírás:

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA Dr. Donkó Zoltán MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet Komplex Folyadékok Osztály MTA Csillebérc / KFKI donko.zoltan@wigner.mta.hu zoltan.donko@gmail.com (8)

A plazma-diagnosztika alapjai Diagnosztika (cél: információt szerezni a plazma egyes jellemzőiről, pl. összetétel, hőmérséklet, sűrűség,...) Elektromos szondák Plazma-spektroszkópia Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 2

Langmuir-szondák φ K Szonda áramkör sémája φ L I L Plazma Szonda A φ L U T V Gömb Henger Sík R az egyik legrégebben és leggyakrabban alkalmazott plazma-diagnosztikai eljárás (1920- as évektől) kisméretű szonda segítségével egyes plazmaparaméterek meghatározhatók (becsülhetők) elektronsűrűség elektron-hőmérséklet elektronenergia-eloszlás módszer: szonda-karakterisztika mérése (= a szondára kapcsolt feszültség függvényében mérjük annak áramát) típusok: egyes / dupla szondák, emisszív szondák, stb. térbeli / időbeli felbontás RF üzemmód a szondát általában körülveszi egy határréteg, ezért részletesen megnézzük, hogy mi történik egy, a plazmába helyezett tárgy (elektróda) környékén Szonda-karakterisztikát mindenki tud mérni Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 3

0 DC határréteg Határréteg modellje stacionárius esetre, ütközésmentes közelítésben Feltételezések: plazmapotenciál n n s x φ φ p s határréteg n i n e átmeneti réteg n e = n i plazma n e = n i = n 0 elektronok Maxwell-Boltzmann eloszlásúak, Te hideg ionok Az x = 0 helyen az ionok us sebességgel áramlanak a határrétegbe. Az ionsűrűség meghatározható a potenciáleloszlás ismeretében: 1 2 m iu 2 i = 1 2 m iu 2 s e (x) Folytonossági egyenlet: n i u i = n s u s x φ(x =0) = 0 falpotenciál φ w n i (x) =n s 1 2e (x) m i u 2 s 1/2 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 4

0 DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben n i (x) =n s 1 2e (x) m i u 2 s 1/2 Maxell-Boltzmann eloszlású elektronok: n határréteg átmeneti réteg plazma n e (x) =n s exp e (x) k B T e n s n i n e = n i n e = n i = n 0 Poisson-egyenlet: plazmapotenciál x φ φ p s n e e n s 0 d 2 dx 2 = e [n i (x) n e (x)] = 0 exp e (x) k B T e 1 2e (x) m i u 2 s 1/2 x φ(x =0) = 0 Szorozzuk be mindkét oldalt d dx -szel falpotenciál φ w és integráljuk x szerint! Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 5

DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben Poisson egyenlet: d 2 dx 2 = e n s 0 exp e (x) k B T e 1 2e (x) m i u 2 s 1/2 1 2 d dx 2 = n s 0 (e ) 2 (e ) 2 2k B T e 2m i u 2 s Böhm-kritérium és Böhm-sebesség m i u 2 s >k B T e megoldhatósága megköveteli az alábbi egyenlőtlenséget (e ) 2 (e ) 2 2k B T e 2m i u 2 s > 0 u s >u B = k BT e m i A Böhm-sebességet az ionok az átmeneti tartományban ( presheath ) veszik fel, emiatt ezen a tartományon egy adott feszültségesés kell, hogy legyen: 1 2 m iu 2 B = e p p = m iu 2 B 2e Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 6

0 DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben n határréteg átmeneti réteg plazma 1 2 m iu 2 B = e p p = m iu 2 B 2e u B = k BT e m i n s n i n e = n i n e = n i = n 0 n e plazmapotenciál x φ φ p s n s = n 0 exp e p k B T e = n 0 e 1/2 = 0.61n 0 falpotenciál x φ w φ(x =0) = 0 Következő feladat: lebegő fal potenciáljának kiszámítása Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 7

0 DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben n határréteg átmeneti réteg plazma Falpotenciál kiszámítása Elektron- és ionfluxusok egyenlőek. Elektronfluxus: n s x s n i n e n e = n i n e = n i = n 0 Maxwell-Boltzmann: v = e(x) = n e(x) v 4 8k B T e / m e plazmapotenciál φ φ p e = 1 4 n s 8k B T e m e exp e w k B T e x φ(x =0) = 0 Ionfluxus: i = n s u B falpotenciál φ w A lebegő fal potenciálja negatív és tipikusan k B T e e néhányszorosa w = k BT e e ln m i 2 m e Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 8

0 DC határréteg Határréteg modellje ütközésmentes közelítésben n határréteg átmeneti réteg plazma Szonda n s n i n e = n i n e = n i = n 0 L Szonda esetében: n e x s plazmapotenciál falpotenciál x φ φ p φ w φ(x =0) = 0 L = L = p w főleg elektronáram a nagyobb sebesség miatt lebegő potenciál: egyenlő elektronés ionfluxus Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 9

Langmuir-szondák SZONDA-KARAKTERISZTIKA φ K Plazma Szonda gömb elektronáram henger φ L I L A V I L sík φ L R φ L U T ionáram φ p I L = I L,sat Gömb Henger Sík A lebegő potenciál helye: a szondaáram zérus értékénél φ f I L = 0 A plazmapotenciál helye: inflexiós pont (a szondaáram második deriváltja zérus) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 10

Langmuir-szondák Sík felületű szonda, ütközésmentes határréteggel, Maxwell-eloszlású elektronok e = 1 4 n 0 v e exp e( L p) k B T e = 1 4 n 0 8k B T e m e exp e( L p) k B T e I e ( L )= ean 0 4 8k B T e m e exp e( L p) k B T e = I e,sat exp e( L p) k B T e I L gömb elektronáram henger ln I e I e,sat = e( L p) k B T e sík 1) Az elektron-hőmérséklet meghatározható a meredekség reciprokából φ p φ L 2) A telítési elektronáram ismeretében a sűrűség is meghatározható ionáram φ f I L = I L,sat I L = 0 Probléma: A telítési elektronáram mérésének bizonytalansága Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 11

Langmuir-szondák I 2 módszer Az elektronsűrűség meghatározására a pontos elektron-hőmérséklet érték ismerete nélkül I L gömb elektronáram henger sík I e ( L )= ean 0 4 I 2 e ( L )= ean 0 4 8k B T e m e exp e( L p) k B T e 2 8k B T e m e exp e( L p) k B T e 2 ionáram φ p I L = I L,sat φ L I 2 e ( L ) = ean 0 4 2 8k B T e m e 1+2 e( L p) k B T e φ f I L = 0 I 2 e ( L )= (ea)2 m e n 2 0 1 2 k BT e e p + e L állandó I 2 e ( L ) függvény meredeksége az elektronsűrűség négyzetével arányos Španěl P.: Int J. Mass Spectrom and Ion Proces., 149/150, 299, 1995 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 12

Langmuir-szondák Sík felületű szonda, ütközésmentes határréteggel, nem-maxwell-boltzmann eloszlású elektronok Cél: elektronok energia-eloszlásának meghatározása f e (v) v θ min φ L < φ p ( retardáló tartomány) gömb elektronáram henger x I L φ p sík φ L A felületet azok az elektronok tudják elérni, amelyeknek az x irányú sebessége egy minimális értéket meghalad: 1 2 m evmin 2 = e( p L ) v min = 2e( p L) m e ionáram I L = I L,sat I e = ea v x f e (v)dv x dv y dv z = φ f I L = 0 v x =v min v y = v z = min 2 ea v 3 f e (v) sin cos d d dv v=v min =0 =0 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 13

Langmuir-szondák I e = ea 2 3/2 m 1/2 e eu g e ( ) 1 eu d = m e v 2 /2 ahol U = p L di e du = ea 2 3/2 m 1/2 e eu U g e( ) 1 eu d = e 2 A 2 3/2 m 1/2 e eu g e ( ) d d 2 I e du 2 = e2 A 2 3/2 m 1/2 e g e ( ) =eu g e ( )= g e( ) 2 3/2 m 1/2 e = e 2 A d 2 I e du 2 Az energiaeloszlás függvény a szondaáram második deriváltjával arányos Felhasználtuk, hogy a határréteg ütközésmentes alacsony nyomás mellett működik! Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 14

Langmuir szondák Példa: Áram második deriváltja (egyenes: Maxwell, Te) =0 : plazmapotenciál I 2 módszer: elektronsűrűség mérésére, nagyobb nyomások mellett is működik Szondaáram zéró: lebegő potenciál Szonda feszültség Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 15

Langmuir szondák Felbontás: Tisztaság: Térbeli: Debye-hossz Szennyeződések a szonda felületén D = 0kT n 0 e 2 1/2 Szennyezheti a plazmát Elektronemissziót indukálhat Időbeli: a határréteg kialakulásának időskálája Torzítja a szonda-karakterisztikát pi = n ie 2 0m i Tisztítás elektronárammal Tisztítás ionbombázással Tipikus tisztítófeszültség 0..100 V, áram 1...2 ma Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 16

Langmuir szondák Mérőáramkör: φ v Szonda A1 + I L φ K Plazma - A2 A4 Szonda φ L I L A φ L V R + - A3 A5 φ L U T Köszönet: Dr Ihor Korolov Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 17

A plazma-diagnosztika alapjai Diagnosztika (cél: információt szerezni a plazma egyes jellemzőiről, pl. összetétel, hőmérséklet, sűrűség,...) Elektromos szondák Plazma-spektroszkópia Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 18

Optikai spektroszkópia - történelem Sir Isaac Newton was one of the first scientists to investigate color theory. Around 1671-72 he discovered the origin of color when he shone a beam of light through an angular prism and split it into the spectrum - the various colors of the rainbow. http://www.artyfactory.com/color_theory/color_theory_1.htm wikipedia.org picture by J.A. Houston Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 19

Spektrométerek Prizmás spektrométer az 1800-as évek végéről Prizma Működési elv: Kollimált nyalábok Fénybontó (diszperzív) elemek: Prizma (fénytörés, diszperzió ) Optikai rács (interferencia) Forrás Lencsék Detektálás Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 20

Spektrométerek Avantes fibre optic spectrometer Zeiss PGS-2 f = 2 m http://www.avantes.com f = 7.5 cm Int. [a.u.] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Helium I DC = 5.4 ma p = 11 mbar 300 400 500 600 700 800 [nm] [A] Nitrogén Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 21

Spektrométerek Czerny-Turner elrendezés MONOKROMÁTOR CCD SPEKTROMÉTER http://www.zeiss.de http://kmacever.en.ec21.com Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 22

Emissziós / abszorpciós folyamatok Abszorpció Spontán emisszió Indukált emisszió h ν 2 1 2 1 h ν h ν 2 1 Fotonenergia E = h Indukált emisszió folyamata (Einstein 1917) Egyensúlyban Boltzmann-eloszlás: N 2 N 1 = g 2 g 1 exp E kt Szelektív gerjesztés 2 1 Gerjesztett állapotok: elektronátmenet vibrációs átmenet rotációs átmenet (energiaviszonyok) A Spektroszkópiai vizsgálatok az 1930-as években. (Encyclodedia of Physics 1956: gázkisülésekben az indukált emisszió teljesen elhanyagolható ) Később: LÉZEREK!! B Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 23

Emissziós / abszorpciós spektroszkópia Információ: felső nívóról alsó nívóról http://www.scienceinschool.org Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 24

Spektrumvonalak alakja Félértékszélesség Hullámhossz: elemre, molekulára jellemző Intenzitás: sűrűség, hőmérséklet,... Hullámhossz-eltolódás: sugárzók sebessége Vonalalak: hőmérséklet, elektronsűrűség,... Természetes vonalszélesség (az átmenet véges időtartama és az intenzitás exponenciális lecsengése), Lorentz-profil Centrális hullámhossz: 0 = hc E 2 E 1 Ütközési kiszélesedés (gázatomokkal való ütközések következtében), Lorentz-profil 2 Doppler kiszélesedés (a sugárzó atomok mozgása miatt), Gauss-profil 1 Emissziós együttható: 21 = n(2)a 21 hc 4 0 = d Mérés esetén: + a műszer vonalalakja (átviteli függvénye) Intenzitás: I 21 = n(2)a 21 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 25

Atomspektrumok Bohr-elmélet: Posztulátumok: mv n r n = n h = E n E k A hidrogénatom (impulzusmomentum) (energia) Az empírikus = R H 1 k 2 1 n 2 összefüggés magyarázata a Bohr-elmélet nagy sikere volt (1913) R H : Rydberg-állandó Nehezebb elemek hidrogénszerű ionjainak spektruma a Rydberg-állandó korrekcióra szorul, az atommag mozgása miatt. További siker: a deutérium létezésére a vonalak eltolódásából következtettek. Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 26

Atomspektrumok Bohr-Sommerfeld modell, (Bohr modell körpályái helyett ellipszispályák) majd kvantummechanika : Schrödinger-egyenlet: 2 2µ n: főkvantumszám (az energia nagyságát határozza meg) 2 e 2 4 0r l = 0,1,2,...n-1: mellékkvantumszám (az elektron l pálya-impulzusmomentumának nagyságát határozza meg) ml = l, l+1,..., 1,0,1,...,l 1,l : mágneses kvantumszám (az l vetületét határozza meg egy kitüntetett irányra) = E sajátérték-probléma kvantumszámok: A hidrogénatom E n = me 4 8 2 0 h2 n 2 degenerált, de perturbációra felhasad Tradícionális jelölés: l =0:s l =1:p l =2:d n l ml állapot 1 0 0 1s 2 0 0 2s 2 1 0 2p 2 1 ±1 2p 3 0 0 3s 3 1 0 3p 3 1 ±1 3p 3 2 0 3d 3 2 ±1 3d 3 2 ±2 3d Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 27

Atomspektrumok A hidrogénatom n l ml állapot 1 0 0 1s 2 0 0 2s 2 1 0 2p 2 1 ±1 2p 3 0 0 3s 3 1 0 3p 3 1 ±1 3p 3 2 0 3d 3 2 ±1 3d 3 2 ±2 3d Az elektronspinről csak a relativisztikus kvantummechanika szolgáltat információt (Dirac-egyenletek) Az elektron állapotának teljes leírásához hozzátartozik a spinkvantumszám s = ± 1 2 Sune Svanberg: Atomic and molecular spectroscopy Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 28

Atomspektrumok Hidrogén Hidrogén / alkáli atom spektrumok Nátrium Sune Svanberg: Atomic and molecular spectroscopy Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 29

Atomspektrumok Alkáli atom spektrumok - az elektronspin szerepe L-S csatolás 0.0021 ev 3p 3p l = 1, s = +1/2 l = 1, s = 1/2 3 2 P 3/2 3 2 P 1/2 Sune Svanberg: Atomic and molecular spectroscopy 589.6 nm l = 0, s = ±1/2 j = l ± 1 2 3s 589.0 nm Dublett szerkezet 3 2 S 1/2 Kitüntetett irány (mágneses tér esetén) a spin csak kétféleképpen állhat be: s = ± 1 2 Az elektron teljes impulzusmomentuma a pálya-impulzusmomentum és a spin összege: j = l + s belső kvantumszám (más energiaszinteknél esetleg más multiplicitás) n 2S+1 L J Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 30

Atomspektrumok Energia [ev] Többelektronos rendszerek 24.58 HÉLIUM ionizációs szint: elektronkonfiguráció: 1s 1 22.92 3 1 S 3 1 P 3 1 D 3 3 S 3 3 P 3 3 D L-S csatolás n 2S+1 L J 20.61 19.82 501.6 2 1 S0 53.7 58.4 667 2 1 P1 metastabil nívók rezonáns átmenetek 706 388.9 2 3 S1 1083 587.6 2 3 P0,1,2 (pl. 3 vonal, néhány század nm-en belül) (hullámhossz értékek nm-ben) Int. [a.u.] 160 140 120 100 80 60 40 Helium I DC = 5.4 ma p = 11 mbar J = L + S,..., L S SZINGLET TRIPLET 20 0 1 1 S0 alapállapot: elektronkonfiguráció: 1s 2 0 300 400 500 600 700 800 [nm] Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 31

Molekulaspektrumok Elektronállapotok + vibrációs + rotációs szerkezet Oxigén molekula elektronállapotai Sune Svanberg: Atomic and molecular spectroscopy Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 32

Molekulaspektrumok Franck-Condon elv Az elektronátmenet sokkal rövidebb időskálán megy végbe a rezgések időskálájánál Sune Svanberg: Atomic and molecular spectroscopy Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 33

Molekulaspektrumok Rezgési és rotációs (forgási) átmenetek Sune Svanberg: Atomic and molecular spectroscopy Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 34

Vibrációs sávok: levegő plazma spektruma Mért spektrum Nitrogén molekula potenciálgörbéi UV / ibolya tartomány domináns, nitrogén molekula vibrációs spektrum I N Kadochnikov et al 2013 Phys. Scr. 88 058306 Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 35

Rotációs szerkezet: nitrogén gázkisülés Hőmérsékletmérés a rotációs spektrum segítségével: alapja a rotációs szintek közötti lokális egyensúly (a kis energiatávolság miatt) N J = const. exp BJ (J + 1)hc kt rot Boltzmann-eloszlás: Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 36

Lézerspektroszkópia: optogalvanikus spektroszkópia Optogalvanikus spektroszkópia alapja: a besugárzás megváltoztatja az atomok/ ionok egyes szintjei közötti átmenetek erősségét, és ezzel perturbálja a plazma elektromos vezetőképességét Mérési elv Neon pozitív oszlopú gázkisülés optogalvanikus spektruma Hangolható fényforrás Lock-in detektálás Beniamino Barbieri, Nicolò Beverini, Antonio Sasso, Rev. Mod. Phys. 62, 603 644 (1990) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 37

Lézerspektroszkópia: abszorpciós spektroszkópia hangolható diódalézerrel Mérési elv: h ν 2 1 Az abszorpció arányos az 1. szint populációjával (telítéstől távol) G. Bánó and Z. Donkó, Plasma Sources Sci. Technol. 21, 035011 (2012) Köszönet: N. Sadeghi, J. Fourier University, Grenoble Vonalintegrált sűrűség Limitált érzékenység Abszolút számsűrűség Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 38

Lézerspektroszkópia: abszorpciós spektroszkópia hangolható diódalézerrel Hőmérsékletmérés: a lézert folyamatosan hangoljuk a Doppler-profil felvételéhez F ( ) = ln I I 0 = 2 D ln 2 exp 4ln2 D 2 Sűrűségmérés: Argon metastabil atomok térbeli eloszlása n M =4 0 mc e 2 D 2 ln 2/ 1 Lf ln I I 0 D = 2 ln 2 0 kt M G. Bánó and Z. Donkó, Plasma Sources Sci. Technol. 21, 035011 (2012) Köszönet: N. Sadeghi, J. Fourier University, Grenoble Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 39

Lézer-indukált fluoreszcencia Abszorpció Lézer-indukált fluoreszcencia Det. 2 Det. h ν 1 h ν 2 1 3 Nagy térbeli feloldás Nagy érzékenység Abszolút számsűrűség meghatározása kalibrációt igényel Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 40

Számonkérés pontjai Elektromos szondák plazma-felület határréteg: Böhm-sebesség, plazmapotenciál, falpotenciál, lebegő potenciál Langmuir-szondák típusai, szonda-karakterisztika elektron-hőmérséklet, elektronsűrűség, elektronenergia-eloszlás mérés elve Plazma-spektroszkópia emissziós és abszorpciós spektroszkópia elektronátmenetek, vibrációs és rotációs spektrumok lézeres módszerek (optogalvanikus, abszorpciós, lézer-indukált fluoreszcencia spectroszkópia elve) Donkó Zoltán: Alacsony hőmérsékletű plazmafizika 41