用零动能光谱研究外电场中铯原子电离阈上能级

The Stark effect is the phenomenon of energy-levels splitting and moving, and ionization energy lowering for the atoms and molecules in an external electric field.The theory predicts that the states above ionization threshold exist in an external electric field. We have used the resonance multi-photon ionization method to obtain the low-resolution spectra come from the levels above ionization threshold. At present there is no detailed experimental reports about these levels. Zero kinetic energy (ZEKE) spectroscopy is recently developed a high-resolution spectroscopy, which is mainly used to study the vibrational and rotational levels of the molecular ion ground state and excited states under the condition of no external electric field. In this project we intend to use the the ZEKE spectroscopy to study the states above the threshold of the atomic cesium in an field. We shall experimentally observe and obtain the high-resolution spectra, energy-level structure, transition probability, life time, levels cross-over and anti cross-over, electric dipole moment, and polarizability for states above the threshold in Stark effect. The theoretical work will be performed meantime. The characteristic data of the states above the threshold, such as wave function, transition probability, charge distribution, electric dipole moment, polarizability, and so on, are to be computed by numerically solving the Schrodinger equation with an electric field. This project will not only open the door of studying atomic and molecular states above the threshold in Stark effect but also make a new application aera of ZEKE spectroscopy.

Stark效应是原子和分子在外电场中能级的分裂和移动及电离能降低的现象。理论预言外电场中原子电离阈值之上（阈上）的能态是存在的。我们已经采用共振多光子电离方法获得了分辨率不好的来自阈上能级的光谱。目前还没有外电场中阈上能级结构的详细实验报道。零动能光谱是最近发展起来的研究电离阈上能级的高分辨率光谱技术，主要应用于无外加电场时分子离子基态和激发态的振动和转动能级研究。本项目拟采用零动能光谱技术研究外电场中铯原子阈上能态信息，实验上获得阈上态的高分辨率光谱、能级结构、跃迁几率、寿命、能级交叉与反交叉、偶极矩和极化率等重要特性参数。同时进行理论计算，通过数值求解外场中的薛定谔方程获得阈上态的波函数、跃迁几率、电荷分布、电偶极矩和极化率等特性数据。 本项目将开启原子分子外电场中阈上能态特性的研究之门, 也为零动能光谱学开辟一个新的应用领域。

原子和分子能级在外电场中的分裂和移动及电离能降低的现象称为Stark效应。理论预言外电场中原子电离阈上能态是存在的，但实验方面未见详细报道。零动能光谱是最近发展的用于研究分子电离阈上能级的高分辨率光谱技术。本项目采用零动能光谱技术研究外电场中原子阈上能态。首先搭建了实验系统，即质量分辨的阈值电离（MATI）光谱系统。实验研究了苯酚类和苯腈类分子的共振增强多光子电离（REMPI）和质量分辨阈值电离光谱，与国际期刊已经报道的同类分子结果相比，获得了很好的信噪比、光谱和质谱分辨率，受到国际期刊审稿人好评。与国际同行的实验系统相比，我们的系统结构紧凑，腔体真空度高，成本低，效果好激发了进一步改进零动能光谱实验系统的兴趣，为零动能光谱仪在相关领域的推广和应用打下了基础。首次获得了邻、间、对甲氧基苯甲腈；邻、间氨基苯腈；间、对氟苯腈；对氯苯腈；对氯甲苯；对异丙基苯酚；邻乙基苯酚及其与水形成的团簇等分子的共振多光子电离光谱、光电离效率谱和质量分辨阈值电离光谱，获得了精确的第一电子激发态和阳离子基态的振动能级信息，结合密度泛函理论计算并参照同类型分子的报道结果对测量到的光谱进行了标识，给出了尽可能准确的振动模式描述.首次通过MATI光谱获得了这些分子最精确的电离能，讨论了氰基和羟基的取代对苯类衍生物激发能和电离能的影响，揭示了氰基具有较强吸电子能力的本性。理论计算模拟了REMPI和MATI光谱，与实验结果获得了较好的一致性。.对里德堡原子外电场中的特性进行了理论计算，计算了铷、铯里德堡分子的波函数、电荷分布和振动特性，计算了锂原子里德堡态在外电场中的电偶极矩、电荷分布等，理论研究了镓原子的Stark效应。原子里德堡态的相干、Autler-Townes分裂、电磁感应透明和双光子光谱等都为深入探讨里德堡原子分子的特性提供了重要参考资料和数据。可能由于外场中原子电离阈上能态寿命非常短，实验未能观察到原子电离阈上能态的光谱信号。