Geri Dön

Investıgatıon of fıne and hyperfıne structure energy levels of holmıum I usıng laser spectroscopıc technıques

Holmiyum I'in ince ve aşırı ince yapı enerji seviyelerinin laser spektroskopik yöntemlerle incelenmesi

  1. Tez No: 965529
  2. Yazar: SEDA KIN BARKA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÜNAY BAŞAR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 174

Özet

Atom fiziğinin temelleri, tarih boyunca yapılan teorik ve deneysel çalışmalara dayanmaktadır. Atom fiziği temel olarak atomların yapısı, birbiriyle ve fotonlarla olan etkileşimlerine odaklanır. Deneysel çalışmalarda fotonlar, atomların özelliklerini anlamak, uyarılmış atomların dinamikleri ve enerji seviyeleri hakkında bilgi edinmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Fotonlar atomlarla etkileşimleri sonucu soğrulur (absorbe edilir), yayılır (emisyona uğrarlar) veya saçılmaya uğrarlar. Absorpsiyon, atomu düşük bir enerji seviyesinden yüksek bir enerji seviyesine çıkartırken, kendiliğinden veya indüklenmiş emisyon sonucunda atom uyarılmış seviyeden daha düşük bir enerji seviyesine iner. Işığın madde ile etkileşimi sonucunda absorbe edilmesi, emisyona uğraması ya da saçılması olaylarının incelenmesi“Spektroskopi”olarak bilinir. Laser teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, koherent ışık kaynağı olan laserler, yüksek şiddete, son derece dar çizgi genişliklerine ve iyi odaklama özelliklerine sahip olmalarından dolayı hassas olçum tekniklerinin söz konusu olduğu spektroskopik çalışmalarda kullanılmaktadır. Atomlarda elektronun çekirdek etrafındaki yörünge ve spin hareketi, elektronun manyetik momentiyle etkileşime giren ve spinini yönlendiren bir iç manyetik alan yaratır. Bu etkileşim, spin-yörünge etkileşimi olarak bilinir ve atomdaki enerji seviyelerinde ince yapı (fs) yarılmalarına neden olur. Atomun elektrik ve manyetik nükleer momentlerinin, çekirdek etrafındaki elektronların spin ve yörünge hareketleri sonucunda üretilen elektrik ve manyetik alanla etkileşime girmesi sonucunda ince yapı seviyelerinde aşırı ince yapı yarılması (hfs) olarak adlandırılan daha fazla yarılmaya neden olur. Emisyon ya da absorpsiyon sonucu oluşan spektral çizgiler laser spektroskopik yöntemler kullanarak ölçülebilir ve farklı analiz teknikleri ile incelenebilir. Laserlerin spektroskopik çalışmalarda kullanılması, Laser-Absorpsiyon Spektroskopisi, Optoakustik Spektroskopi, Optogalvanik Spektroskopi (OGS), Kavite Ring-Down Spektroskopisi, Laserle İndüklenen Floresans (LIF) Spektroskopisi, İyonizasyon Spektroskopisi ve Satürasyon Spektroskopisi gibi farklı tekniklerin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bu tezin amacı, Laserle İndüklenen Floresans spektroskopisi (LIFS) ve Optogalvanik spektroskopi (OGS) yöntemlerini simultane kullanarak 690-830 nm dalgaboyu aralığında atomik holmiyumun çift ve tek pariteli yeni ince yapı enerji seviyelerini keşfetmek ve bu seviyelere ait manyetik dipol (A) ve elektrik kuadrupol (B) aşırı ince yapı sabitlerini belirlemektir. LIF metodunda, laser ışığının frekansı incelenen atomun enerji geçişlerine ayarlanır, böylelikle atomlar laser dalgaboyunun alt enerji seviyesinden (Ei) bir üst enerji seviyesine (Ek) uyarılır. Uyarılma sonucunda seviyeler arasındaki geçişte seviyelerin nüfus yoğunlukları değişir. Uyarılmış atom, floresans ışığı olarak bilinen ışığı yayarak, kendiliğinden (veya çarpışma sonucunda) düşük enerjili seviyelere iner. Dedekte edilen floresans çizgileri bize laser uyarma çizgisinin enerji seviyeleri hakkında bilgi verir. Floresans sinyalleri, atomun üst ve alt enerji seviyelerinden 3 farklı şekilde meydana gelebilir ve Pozitif, Negatif ve Çarpışma Etkileşimi floresansı olarak gruplandırılabilir. Pozitif Floresans laser uyarılma çizgisinin üst enerji seviyesinden meydana gelen floresans yayılımları olarak tanımlanır. Negatif Floresans ise, laser uyarılma çizgisinin alt enerji seviyesinden daha düşük enerji seviyelerine meydana gelen floresans yayılımlarıdır. Çarpışmalı Etkileşimde ise, uyarılmış seviyedeki atom enerjisini yakınındaki, neredeyse aynı enerji seviyesine sahip başka bir atoma aktarır. Bu enerji seviyesinden olan yayılımlar pozitif floresans olarak dedekte edilebilir. Çarpışmalı etkileşim ile ortaya çıkan floresans yayılımlarının meydana gelme olasılığı düşük basınçlı deşarjlarda daha düşüktür. Deneysel ölçümlerde, laser tarama aralığında bazen birden fazla seviye eş zamanlı olarak uyarılır. LIF metoduyla yapılan spektroskopik ölçümlerde monokromator, laser uyarma frekansında en güçlü çizgi spektrumunu veren floresans sinyalin dalgaboyuna ayarlanır. Bu yöntem ile spektrometreye giren olası birden fazla seviyenin uyarılmasından kaynaklı karışmış çizgi spektrumlarının önüne geçilmiş olur. Böylece her bir çizginin aşırı ince yapı spektrumları kaydedilebilir ve analiz programlarıyla analiz edilebilir. Laser uyarılma çizgisinde pozitif floresans gözlendiyse ve uyarılan seviyelerinden bir tanesi biliniyorsa, floresans cizgisi ve laser uyarılma frekansının dalga sayıları matematiksel olarak toplanarak bilinmeyen enerji seviyesi değeri bulunabilir. Her iki enerji seviyesinin tanımsız olması durumunda, negatif floresansın varlığı kolaylık sağlamaktadır. Negatif floresans ile laser uyarılma çizgisinin alt enerji seviyesi tanımlanır ve laser cizgisinin uyarılma frekansına eklenerek üst enerji seviyesi bulunabilir. Negatif floresansın yokluğunda ise, pozitif floresans kullanarak spektral çizgi LIFS metodu ile ölçülür. Hfs analiz programına üst ve alt enerji seviyesinin tahmini J, A ve B değerleri girilerek fit işlemi yapılır. İşlem sonucunda iyi sonuç veren J, A ve B aşırı ince yapı sabiti değerleri elde edilir. Bulunan değerler, literatürde mevcut enerji seviyeleri ile karşılaştırılır. Laser çizgisine karşılık gelen alt ya da üst enerji seviyesinden (ve onlara ait J ile A ve B değerleri) bir tanesi ile örtüşen bir seviye bulunursa bilinmeyen enerji seviyesine ulaşılabilir. Az ayrışmış spektrumlarda ise analiz işlemi her zaman iyi bir sonuç vermez, bu durumda enerji seviyesinin bulunması başarısız olur. LIF yöntemiyle simultane kullanılan OGS metodunda laser gaz deşarj ortamına gönderilir, frekansı atom ve iyonların enerji geçişine tekabül ettiğinde alt ve üst enerji seviyelerinin nüfus yoğunluklarında belirgin bir değişime neden olur. Enerji seviyelerindeki farklı iyonizasyon olasılıkları nedeniyle nüfus yoğunluğundaki değişim, iyon ve serbest elektron sayılarında değişime ve deşarj akımında (ΔI) değişikliğe neden olur. Bu değişim bir balast direnci (R) boyunca bir voltaj değişikliği (ΔV=R・ΔI) olarak gözlemlenebilir. Laserin şiddeti laser kesici (chopper) ile kesildiğinde, lock-in amplifikatör yardımıyla doğrudan ölçülebilen bir AC voltajı elde edilir. Laser uyarım frekansında alt ve üst enerji seviyelerine bağlı olarak pozitif ve negatif optogalvanik sinyalleri gözlenir. LIFS yöntemini uygulamak için, laser çizgisinin üst veya alt enerji seviyelerinden oluşan floresans çizgilerinin dalgaboylarını bilmek gerekir. LIFS yönteminde kullanılan ve literatürde tanımlı olan floresans çizgilerinin yokluğunda, OGS metodu yardımıyla uyarılma çizgisine ait olan floresanslar bulunabilir. Bilinmeyen enerji seviyelerin keşfinde OGS yol gösterici görev alır. LIFS ve OGS yöntemlerinin simultane kullanılması bu nedenle önem kazanmaktadır. LIFS ve OGS yöntemleri ile incelenen serbest ve uyarılmış holmiyum atomları laboratuvar yapımı içi boş saydam cam malzemeden yapılmış bir katot lamba içerisinde üretilmiştir. İçi boş katot lambası, katot, anot ve asal gazdan oluşmaktadır. Lambanın merkezine yerleştirilmiş katot, içi oyuk bakır silindir içerisine tabaka şeklinde kaplanmış yaklaşık 0.125 mm'lik ince bir holmiyum levhadan oluşmaktadır. Alüminyumdan yapılan anotlar, seramik tutucular ile lambanın merkezine yerleştirilen silindir katotun her iki ucuna, lambanın dışından akım uygulayabilecek düzenekte tutturulur. Lamba içerisindeki hava vakum pompasıyla 10−7 mbar'a kadar boşaltılır ve içerisine 1-1,5 Torr (1.5-2 mbar) basınca sahip asal gaz pompalanır. Bu çalışmada asal gaz olarak neon (Ne) kullanılmıştır. Basınç altında asal gaz atomları birbiriyle çarpışarak iyonize olur. Güç kaynağına bağlandıktan sonra anot ile katot arasında 60mA civarında akım uygulanır. Pozitif yüke sahip iyonize atomlar elektrik alan altında hızlanır, kinetik enerjiye sahip olur ve katota çarparak silindir katot içerisine yerleştirilmiş holmiyum levhasından atom kopartır. Asal gaz ile çarpışan holmiyum atomları üst enerji seviyelerine uyarılır, ya da iyonize olabilir. Katot lambası içerisinde asal gaz, serbest, uyarılmış ve iyonize olmuş holmiyum atomlarının olduğu sıcak bir plazma ortamı oluşur. Plazma ortamında Doppler çizgi genişleme etkisini azaltmak amacıyla katot lambası deney suresince sıvı azot ile soğutulur. Ayrıca, sıvı azot holmiyum atomlarının laser ışınının katot içerisinden geçtiği yol üzerinde yoğuşmasını da sağlamaktadır. Bu çalışma sonucunda, çift pariteli 5 ve tek pariteli 11 seviye olmak üzere toplam 16 yeni ince yapı enerji seviyesi keşfedildi. Bulunan yeni seviyeler için aşırı ince yapı sabitleri, buna ek olarak literatürden bilinen üç çift pariteli ince yapı enerji seviyesi için aşırı ince yapı sabitleri ilk kez bu çalışmada sunulmuştur. Yeni enerji seviyelerini hassas olarak belirlemek için daha önce Ne ve Ar asal gazlarıyla 300-850 nm aralığında ölçülmüş FT spektrumu analiz edilmiştir. Bu spektrumun olduğu analiz programı daha önce ölçülen Ho çizgilerinin bir listesi, ince yapı enerji seviyelerinin bir listesi ve literatürden bunlara karşılık gelen A ve B sabitlerini içermektedir. Analiz programı, laser dalgaboyu aralığındaki tanımsız çizgi spektrumlarının görüntülenmesini ve bilinmeyen enerji seviyelerinin tespit edilmesini sağlar. İkinci bir analiz programı ile LIFS ve OGS yöntemleri ile ölçülen spektral çizgilerin analizi yapılır. Bu program, ölçülen aşırı ince yapı (hfs) spektrumu üzerinde en küçük kareler yöntemini kullanarak, spektrumlar teorik spektrum ile fit edilir ve çizginin ağırlık merkezi ve A ve B hfs sabitleri hassas bir şekilde bulunur. Bu çalışma sonucunda elde edilen ince yapı enerji seviyeleri, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) Atomik ve Moleküler Veritabanı'nda bir kaynak olarak erişilebilir olacaktır. Astrofizik alanındaki çalışmalar için bir alt yapı oluşturacak olan ince ve aşırı ince yapı çalışmaları, kozmik radyasyonun tanımlanmasında, güneş ve yıldız atmosferlerinin bolluk oranlarının analizinde, güneş ve yıldız yapılarının tanımlanması ve galaksimizin oluşumu ve kimyasal evrimi ile ilgili çalışmalarda katkı sağlayacaktır. Ayrıca, yıldızlardaki ağır elementlerin nükleosentezini incelemek için holmiyum gibi nadir toprak elementlerinin verilerine ihtiyaç vardır. Bununla birlikte, yakın zamanda elde edilen yüksek çözünürlüklü yıldız spektrumları, atomik çizgi veri tabanının hala eksik olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, herhangi bir nötr veya iyonik atom spektrumunun ve nadir toprak elementlerinin aşırı ince yapılarının atomik ve iyonik çizgi veritabanına katkısı önemli bir rol oynamaktadır.

Özet (Çeviri)

The fundamentals of atomic physics are based on theoretical and experimental studies throughout history. Atomic physics focuses mainly on the structure of atoms, their interactions with each other, and their interactions with photons. The interaction of photons with matter is widely used in experimental studies to understand the properties of atoms and obtain information about their energy levels and the dynamics of excited atoms. In atoms, the orbital and spin motion of the electron around the nucleus creates an internal magnetic field that interacts with the electron's magnetic moment and orients its spin. This interaction is known as the spin-orbit interaction and causes fine structure (fs) splitting of the energy levels in the atom. The interaction of electromagnetic multiple nuclear moments with the electric and magnetic field produced by spinning and orbiting electrons around the nucleus gives rise to a further splitting, namely hyperfine structure splitting (hfs) of the fine structure levels. Photons can be absorbed or emitted by their interaction with atoms. Absorption takes the atom from a lower to a higher energy level, whereas emission occurs spontaneously or is induced from a higher to a lower energy level by releasing radiation. The study of absorption or emission of light by matter is known as 'Spectroscopy'. With the development of laser technology, coherent light sources, such as lasers, have been used in spectroscopic studies due to their high intensity, extremely narrow linewidth, good focusing properties, and enhanced sensitivity in measurement techniques. The spectral line occurring from emission or absorption can be measured using laser spectroscopic methods for further analysis. The use of lasers in spectroscopic studies gave rise to different techniques such as Laser-AbsorptionSpectroscopy, Optoacoustic Spectroscopy, Optogalvanic Spectroscopy (OGS), Cavity-Ringdown Spectroscopy, Laser Induced Fluorescence (LIF) Spectroscopy, Ionization Spectroscopy and Saturation Spectroscopy. This dissertation aimed to experimentally discover new even and odd parity fine structure energy levels of atomic Holmium in the 690-830 nm wavelength range using Laser Induced Fluorescence spectroscopy (LIFS) and Optagalvanic spectroscopy (OGS) methods simultaneously. Free and excited Holmium atoms were generated in a liquid nitrogen-cooled hollow-cathode lamp. The corresponding magnetic dipole (A) and electric quadrupole (B) hyperfine structure constants were also determined. To confirm the existence and precisely determine the energy values of the new energy levels, we analyzed lines from previously recorded Fourier Transform (FT) spectra. In total, 16 new energy levels have been discovered, comprising five with even parity and 11 with odd parity. Data on the hyperfine structure of these new levels, as well as additional hyperfine structure data for three known levels of even parity obtained from existing literature, have been presented for the first time. The findings of this dissertation will be available as a resource in the National Institute of Standards and Technology (NIST) Atomic and Molecular Database. This will help establish a crucial infrastructure for other scientific pursuits, especially in the fields of astrophysics.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    507285

    Classification of spectral lines of the holmium in between 700-850 nm and hyperfine structure investigation

    Holmiyumun 700-850 nm dalgaboyu aralığındaki spektral çizgilerinin sınıflandırılması ve aşırı ince yapısının incelenmesi

    SANA ALİ SALEH ASHİBA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İPEK KANAT ÖZTÜRK

  2. Tez No

    183995

    Lantan elementinin ince ve aşırı ince yapısının incelenmesi

    Investigation of fine and hyperfine structures of lanthabum element

    ALEV ER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. GÖNÜL BAŞAR

  3. Tez No

    130863

    Manganez I ve skandiyum I elementlerinin ince yapı ve aşırı ince yapılarının incelenmesi

    Investigation of fine structures and hyperfine structures of manganese I and scandium I elements

    İPEK KANAT ÖZTÜRK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖNÜL BAŞAR

  4. Tez No

    628878

    Tulyum elementinin görünür bölgedeki spektral çizgilerinin sınıflandırılması ve aşırı ince yapısının incelenmesi

    Spectral lines classification and hyperfine structure investigation of the thulium element in the visible region

    ŞEYMA PARLATAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İPEK KANAT ÖZTÜRK

  5. Tez No

    325686

    Lantan I ve vanadyum I elementlerinin aşırı ince yapılarının incelenmesi

    Hyperfine structure investigation of lanthanum I and vanadium I elements

    FEYZA GÜZELÇİMEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖNÜL BAŞAR

    PROF. DR. SOPHİE KRÖGER

Geri Dön