close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Druckverbreiterung von Nickellinien durch Argon.

код для вставкиСкачать
H. J. KUSCH,W. LOCHTE,-HOLTGREVEN
u. P. MASSMANN:
Druckverbreiterung
267
Druckverbreiterungvon Nickellinien durch Argon
Von H. J. KUSCH,W. LOCHTE-HOLTOREVEN
und P. MASSMANN
Mit 2 Abbildungen
Herrn Prof. Dr. Wolter zum 60. Geburtstag gewidmet
Abstract
The broadening of 8 nickel lines by VAN DER WAALSinteraction with argon atoms was
measured using a pressurized KING'Sfurnace. The interaction constants were obtained from
the half widths and compared with theoretical calculations.
I. Einleitung
Fur die Deutung stellarer Spektren ist die Verbreiterung von Metallinien
durch Wechselwirkung mit Fremdatomen von besonderem Interesse. Die bislang
bestehenden halbklassischen Theorien enthalten eine Wechselwirkungskonstante, die mit Hilfe einer wasserstoffahnlichen Naherung berechnet werden
kann. Fur kompliziertere Atome (wie hier Nickel) entnimmt man diese Konstanten jedoch besser Messungen.
Experimentelle Untersuchungen der astrophysikalisch wichtigen Wechselwirkung mit Wasserstoffatomen fuhrten KUSCH[I] und MEYER [2] in einem
Hochdrucklichtbogen aus. KUSCH
e t al. [ 3 . . . 5 ] untersuchten wegen der groBeren
Stabilitiit mit Argon betriebener Lichtbogen die Verbreiterung von Titan-,
Silizium- und Magnesium-Linien durch Argon als Storgas. I n seiner verbreiternden Wirkung sollte das Argonatom dem Wasserstoffatom ahnlich sein : die Polarisierbarkeiten der Atome sind von gleicher GroBenordnung, Ionisationsenergie
und Anregungsenergie des ersten angeregten Niveaus sind groB, so daB PhasenstorungsstoBe iiberwiegen. Die vorliegende Arbeit befaBt sich mit der Verbreiterung von Nickellinien unter dem EinfluB der StoBe von Argonatomen; dazu
dient ein unter erhohtem Druck betriebener KINascher Ofen, wie er schon in [l,
6, 71 beschrieben wurde. Wie die Diskussion der konkurrierenden Verbreiterungseffekte zeigt, sind die Verbreiterungen wesentlich durch VAN DER WAALSWechselwirkung bedingt. Wir stellen zunlichst die moglichen Verbreiterungseffekte zusammen und untersuchen ihren EinfluB auf die Verbreiterung von
NiI-Linien durch Argon im Kmaschen Ofen.
11. Zur Theorie der Linienverbreiterung
a ) Die natiirliche Linienbreite. Die durch die klassische Strahlungsdiimpfung
bedingte natiirliche Linienbreite liegt - unabhlingig von der Wellenlange -
268
Annalen der Physik
*
7. Folge
*
Band 26, Heft 4
1971
in der GroBenordnung von 10-4 8,also urn GrCBenordnungen unter den gemessenen Halbwertsbreiten.
b) Thermischer Dopplereffekt. Die durch thermischen Dopplereffekt erzeugte
(ganze) Halbwertsbreite ist :
Hierin bedeuten : 4 die Wellenlange der K e , k die BoLTzMANN-Konstanteund
M die Masse des. Nickelatoms. Bei einer mittleren Wellenlange von 4000 A und
einer Temperatur von 2000 K betragt Alo = 16 m d ; wie sich spater zeigen
wird, sind die StoSbreiten schon unter 5 a t m Argondruck von der GroDenordnung 100 mA, so dal3 die Beriicksichtigung des Einflusses der Dopplerverbreiterung unterbleiben kann.
c) Eigendruckverbreiterung durch h'i-Ni-Wechselwirkungen. Schon eine
grobe Abschatzung zeigt, daD dieser Effekt wegen der geringen Nickelatomdichte zu vernachlassigen ist : bei 1900 K ist diese 5 . 1015
wiihrend die
Storteilchendichte stets iiber l O l S
liegt.
d ) Verbreiterung durch Starkeffekt. Auch die Verbreiterung durch die
Mikrofelder der Elektronen und Ionen ist vernachlassigbar gering, da bei Temperaturen um 2 000 K noch keine wesentliche Ionisation von Nickel bzw. Argon
auftritt .
e) VAN DER WAALS-Verbreiterung durch StoBe mit Argonatomen. Die
Wechselwirkung mit Argonatomen iiberwiegt unter den herrschenden Bedingungen so sehr, daD alle anderen zuvor diskutierten Effekte dagegen vernachliissigt
werden konnen. Die hier wesentliche Verbreiterung des ,,Kerns" der Spektralh i e erfolgt nach der StoDdiimpfungstheorie, einem Grenzfall der allgemeinen
Verbreiterungstheorie l ) .
Ein im Abstand r am Leuchtatom voriiberfliegendes Storteilchen bewirkt
eine Verstimmung :
hohere Glieder des Wechselwirkungspotentials, insbesondere Repulsionsterme
[ 121, bleiben unberucksichtigt. Die quantenmechanische Berechnung der Wechselwirkungskonstante C, erfolgt nach einer Naherung von UNSOLD
[8] :
Hierin ist: LY die Polarisierbarkeit des Storatoms (in unserem Fall Ar: a =
1,63
ems),
das mittlere Abstandsquadrat Leuchtelektron-Kern, n*
die effektive Hauptquantenzahl und 1 die Nebenquantenzahl. Nach WEISSKOPF
[131 gilt fur die Wechselwirkungskonstante C, einer Linie mit dem ubergang
m+ n :
(76 == CS9n - C 6 ~ n (5)
-
l)
[lo],
Wegen zusammenfassender Darstellungen siehe UNSOLD181, TRAVING
[9], BREENE
ROMPE,
STEENBECK
[ll].
H. J. KITSCH,W. LOCHTE-HOLTGIREVEN
u. P. MASSMANN:
Druckverbrciterung
Bei einem Vorubergang im Abstand
des Leuchtatoms :
+m
7,= J A w ( T )dt
e,
269
ist die Phasenanderung der Schwingung
2nc 3n
= 2- ;
-ca
vef
8
hierin ist v die mittlere Relativgeschwindigkeit :
mit MA^ und N N als
~ Masse des Argon- und Nickelatoms. Die Summation uber
alle Vorubergange (LENDHOLM
[141) ergibt Dispersionsprofile der Halbwertsbreite ys mit der Verschiebung des Linienmaximums d o , zu liingeren Wellen
hin :
7, = 17,O C,2/5~3/5Nh,
(8)
Ao, = 6,16 * C : / ~ V ' / ~ N A ~
(84
(in Kreisfrequenzeinheiten).
Fur den ,,kritischen" WEIssKoPFschen Stoaradius erhalt ma.n:
-
Der mittlere Abstand r, der Storteilchen ergibt sich
BUS:
Vorwiegend EinfachstoBe treten unter der Bedingung :
auf .
ro 2
@hit
111. Die Bestimmung der Diimpfungskonstanten aus den Profilen
der Absorptionslinien
Sei I, die Intensitat des kontinuierlichen Untergrunds, I ( A w ) die Intensitat
im Abstand A w von der Linienmitte, 1 die Schichtdicke und f die Absorptionsoszillatorenstiirke, so gilt fur die Dampfungskonstante ys :
sind die bekannten Naturkonstanten. Die Dampfungskonstante 7, ist
also die (ganze) Halbwertsbreite des logarithmischen Intensitiitsprofils In
(im Kreisfrequenzmaa). Aus (11)folgt fur die Intensitat im Linienzentrum Inon
bzw. im Abstand d o vom Zentrum ~ ( A w:)
e, m, c
A
w4
fur die Halbwertsbreite
la
=
(I,
-
AO
Imin)1/Z;
= y 6 / 2 ergibt sich dann die Intensitat I H :
(1lb)
270
Annalen der Physik
*
7. Folge
*
Band 26, Heft 4
*
1971
es ist also zur Ermittlung der Halbwertsbreite des logarithmischen Profils nicht
notig, das gesamte Profil zu zeichnen; vielmehr geniigt es, die ganze Breite
2Aco bei der Intensitat I= abzulesen.
IV. Experimentelle Untersuchung der Verbreiterung von NiI-Linien durch
Argonatome
a) D i e V e r s u c h s a n o r d n u n g
Die Untersuchungen wurden mit einem optischen Sufbau ausgefiihrt, den
Abb. 1 zeigt.
Als Kontinuumslichtquelle diente eine Xenonhochdrucklampe (OSRAM
XBO 900 IT), deren Betriebsstrom (42. .. 50 A) einem regelbaren Umformer entXenonlompe
L3
L4
Eisenbogen
--
G=----::::::--z
Ll
Spekt r ogrophen spolt
Pyrornete r
lOcm =^ 1m W e g l a n g e
Abb. 1. Die Versuchsanordnung
nommen wurde. Mittels der Quarzlinsen L, und L, leuchtete der Xenonbogen
durch das Absorptionsrohr hindurch den Spalt des Spektrographen gleichmadig
aus. Die hierzu symmetrische Abbildung durch die Quarzlinsen L, und L3 beleuchtete ein vor dem Spalt befindliches Stufenfilter zur Erzeugung der Intensitiitsmarken ; seine Transmission war zuvor photoelektrisch vermessen. Ein
dritter Strahlengang schliedlich ermoglichte iiber die Quarzlinsen L, und L,
die Aufnahme eines von einem Eisenbogen erzeugten Vergleichsspektrums. Die
Spiegel KS, bis KS, und S waren mit Aluminium und mit einer 400 A starken
Schicht Magnesiumfluorid bedampft, um hinreichende Intensitkt auch im
ultravioletten Spektralgebiet zu gewahrleisten. Die Kontrolle der Ofentemperat u r erfolgte mit Hilfe des Klappspiegels KS,, iiber den die Wandung des geheizten Kohlerohrs mit einem visuellen Pyrometer anvisiert wurde.
b) D e r E(INGsche O f e n
Zur Erzeugung des absorbierenden Nickeldampfes wurde ein KINcscher
Ofen verwendet, wie er schon von KUSCH[l],HEY [ 6 ] und zuletzt von DAHMEN
e t al. [7] beschrieben wurde.
Ein von zwei Kohleplatten gehaltenes Kohlerohr von 120 mm Lange,
12 mm innerem und 1 6 mm auBerem Durchmesser (Material E K 48, Rings-
271
H. J. KUSCH,W. LOCHTE-HOLTGREVEN
11. P. MASSMANN
: Druckverbreiterung
dorff, Mehlem/Bonn) war mit Nickelspanen beschickt und elektrisch geheizt.
Die kupfernen Stromzufiihrungen waren bis in die Gewindestutzen hinein
wassergekiihlt. Das Kohlerohr trug a n beiden Seiten einen einseitigen 30 mm
langen Schlitz und war elastisch in die Bohrungen der gleichfalls geschlitzten
Kohleendplatten eingesetzt, um sowohl guten elektrischen Kontakt als auch
Spannungsfreiheit bei Temperaturwechsel zu gewahrleisten. Zur Stromversorgung diente ein 10 kVA-Transformator in Verbindung mit einem regelbaren
Wechselstromgenerator. Um groBere Warmeverluste zu verhindern, war das
Heizrohr mit einem weiteren Kohlerohr als Strahlungsschutz umgeben und der
stiihlerne Drucktopf von innen mit einem aus Isoliersteinen (DEGUSSIT-Isoletten ZR 25, Degussa) geflochtenen Einsatz ausgekleidet. Die Stirnseiten der
Apparatur waren abweichend von [l, 6, 71 nicht isoliert. Lediglich auf der die
Stromzufiihrungen tragenden Stirnseite war zwischen diesen ein doppelwandiges
Strahlungsschild angebracht, um die Zerstorung der Trovidur-Durchfuhrungen
durch Warmestrahlung zu verhindern. Die Endplatten des Drucktopfes waren
fur die spektroskopische Beobachtung mit Quarzfenstern (Herasil) versehen und
der gesamte Drucktopf mit Hilfe e k e s offenen Kreislaufs wassergekuhlt. u b e r
ein Nadelventil konnte der Ofen vor Beginn des Aufheizens evakuiert und mit
Argon zum gewiinschten Druck aufgefiillt werden. Zur Messung des Drucks
diente ein Priizisionsmanometer (Dragerwerk).
c) D i e s p e k t r o s k o p i s c h e T e c h n i k
Zur Herstellung der Spektren diente ein Gitterspektrograph in Ebert-Aufstellung (Hilger & Watts, Brennweite 3,4 m), dessen Lineardispersion 5 A/mm
in der ersten Ordnung betrug. Die Apparatebreite wurde mittels Eisenbogen,
Argon-GEIssLER-Rohr und He-Ne-Laser zu 110 mA bei 20 pm Spaltbreite
bestimmt. Als Aufnahmematerial dienten N 40-Platten (Ilford), die in dem hart
arbeitenden Dokumentenentwickler G 7 p (Agfa-Gevaert) entwickelt wurden.
Selbst bei Absorptionstiefen von etwa 5% ergeben sich so noch gut mefibare
Einsenkungen der Profile. Die Belichtungszeit der Spektren betrug 1/5 s. Auf
jeder Platte wurden neben Intensitatsmarken und dem Spektrum eines Eisenbogens eine Reihe von Absorptionsspektren bei Drucken bis zu 35 atm sowie ein
Spektrum bei ausgepumptem Ofen (p = 0) aufgenommen.
8
6
4
Abb. 2. Untersuchung der Linienprofile auf
Dispersionsprofile. Auf der Ordinate ist der
normierte Absorptionskoeffizient gemla ( l l a ) 2
aufgetragen. Dispersionsprofile entsprechen
einer 45"-Geraden durch den Punkt (1,l).Abweichunnen bei hoheren Abszissenwerten sind
durch feuhlerhafte Festlegung des Untergrundes
3462 A; 0:
3051 A ;
3002 A 6
bedingt. 0:
v:
2
4
6
8
272
Annalen der Physik
*
7. Folge
*
Band 26, Heft 4 z 1971
d) Die Auswertung d e r S p e k t r e n
Die photometrische Ausmessung der Absorptionslinien erfolgte mit einem
Graukeilpho tometer.
Um zu einer schnellen Ermittlung der Intensitiitswerte zu gelangen, wurden
die Photometerstreifen von unten beleuchtet und mit einer Folie mit halblogarithmischem Raster bedeckt, auf welches die Schwiirzungskurve gezeichnet war.
Die relativen Intensitatswerte waren so schnell und bequem abzulesen. Die erhaltenen Intensitiitsprofile (mit Halbwertsbreiten > Apparatebreite) konnten in
guter Niiherung durch Dispersionsprofile dargestellt werden, wie Abb. 2 zeigt.
Das unter 111. beschriebene Auswerteverfahren lieferte dann die Halbwertsbreiten, aus denen die Werte y s / N ~erhalten
,
wurden.
V. Diskussion der MeBergebnisse
Die aus jeweils 17 Einzelmessungen gewonnenen ganzen Halbwertsbreiten
wurden gegen die Argonteilchendichte aufgetragen; aus der Steigung der sich
ergebenden Geraden folgt dann - nach Umrechnung in das KreisfrequenzmaD
- ys/NA,. Diese Werte sind in der Tabelle, Spalte 3, nach Reduktion auf
T = 2 000 K gemiil3 ys/NA, N v3/5 T3/10theoretischen Werten gegenubergestellt, wie sie aus (3), (5) und (8) berechnet wurden. Spalte 4 enthiilt theoretische und experimentelle Werte der Wechselwirkungskonstante C,. Der Vergleich
der gemessenen Verbreiterungen mit den auf Grund der einfachen wasserstoffiihnlichen Niiherung fur die Wechselwirkungskonstanten und der StoDdiimpfungstheorie berechneten Werten ergab befriedigende ubereinstimmung ; jedoch
sind die theoretischen Werte durchweg groBer.
N
Tabelle 1
Verbreiterung von NiI-Linien durch Argon
Spalte 1enthiilt die Wellenliinge der Linien, 2 die Ubergiinge nach MOORE[15].
I n Spalte 3 sind die theoretischen Werte fur ya/Nar(inse~-~/crn-~)
mit den experimentellen Werten verglichen ; 4 enthiilt entsprechend den Vergleich der Wechselwirkungskonstanten
Alle Werte sind auf T = 2000 K reduziert.
Bemerkungen:
+ : berechnet
- 1 nicht erfullt ist.
nicht geklart
1
Wellenliinge
A
++:
3393
3370
3134
3102
3051
3002
TZw
2.
5n*4,
2
da die Bedingung 0 < 1 < It*
3
Konfiguration
-__
oben
3493
3462
nach
berechnet nach (3) und (4).
Me(a2D)4p
3de4s(a4F)4p
3ds(a2D)4p
3dg(a2D)4p
3d84s(a2F)4p
3d84s(a2F)4p
3ds4s(aaF)4p
3d84s(a2F)4p
unten
3ds(a2D)4s
3ds(a2D)4s
3dg(a2D)4s
3ds4s2
3dg(a2D)4s
3ds(a2D)4s
3ds(a2D)4s
3ds(a2D)4s
+++:
Ubergang theoretisch
-
1
5
4
@6/
x 109
heor.
- I--sec
heor. exp.
3,98
5,31
4,09
5,15
5,86
5,78
5,76
5,89
1,81
3,86
1,92
3,41
4,74
4,58
4,64
4,78
-0,66
0,21
0,28
0,42
1,06
0,38
~
Bern.
++
i-
++
0,89
+++
+
+
+
1,05
f
H. J. KUSCH,W. LOCHTE-HOLTQREVEN
u. P. MASSMANN: Druckverbreiterung
273
VI. Fehlerdiskussion
Photographisch-photometrische Verfahren in der Spektroskopie sind erfahrungsgemiil3 mit Fehlern von 10.. 15% fur die Einzelmessung behaftet.
Hinzu kommen Unsicherheiten der Druckmessung (1%)sowie die ungenaue
Festlegung der Temperatur durch die mit h6herem Druck anwachsende Schlierenbildung, so daD die Stiirteilchendichten nicht genauer als 5% sein durften.
Damit liegt der Fehler von y a / N ~bei
, Ausgleich von 1 7 Einzelmessungen durch
eine Gerade bei 10%.
-
Literaturverzeiehnis
[l] KUSCH,H. J.: Z. Astrophys. 46 (1958) 1.
MEYER,J.: Z. Astrophys. 60 (1964) 94.
KUSCH,H. J., u. G. MEINHOLD:Z. Astrophys. 66 (1967) 364.
FELDHAUSEN,
H., u. H. J. KUSCH:Z. Astrophys. 67 (1967) 123.
HELBIQ.V. : Dissertation Kiel 1970 hoch unveriiffentlicht).
HEY,P.’: Z. Astrophys. 62 (1961) 25h.
DAHMEN.
M.. u. €
J.I
KUSCH:
.
Z. AstroDhvs. 68 (1968) 445.
UNSOLD,’A. Physik der Sternatmosphk&n, 2. Auflage; Springer-Verlag: Berlin-attingen-Heidelberg 1965.
[9] TRAVINO,G.: Theorie der Druckverbreiterung von Spektrallinien, G. Braun; Karlsruhe 1960.
[lo] BREENE,R. G. : The Shift and Shape of Spectral Lines, Pergamon Press, Oxford 1961.
[ll] ROMPE,R., u. M. STEENBECX
: Ergebnisse der Plasmaphysik und Gaselektronik,
Bd. 1;Akademie-Verlag Berlin 1967.
[12] HINDMARSH,
W. R., A. D. PATBORD
and G. SMITH:
Proc. royal SOC.(A) 297 (1967) 296.
[13] WEISSXOPF,V.: Z. Phys. 76 (1932) 287.
[14] LINDHOLM,
E.: Ark. Mat. Astr. Fys. 28 B, Nr. 3 (1941).
[15] MOORE,CH. E.: A Multiplet Table of Astrophysical Interest Nat. Bur. Standards,
Washington 1953.
[2]
[3]
[4]
r51
[6j
r71
[8j
K i e l , Institut fur Experimentalphysik der Universitiit.
Bei der Redaktion eingegangen am 23. Oktober 1970
Anschr. d. Verf. : Dr. H. J. KUSCH,Prof. Dr. W. LOCHTE-HOLTQREVEN
und DipLPhys. P. MASSMANN
Inst. f. Experimentalphysik d. Univ. Kiel
BRD-23 Kiel, Olshausenstr. 40-60, Haus 20
18 Ann. Physik. 7. Folge, Bd. 26
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
382 Кб
Теги
druckverbreiterung, durch, argon, von, nickellinien
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа