Arbeitsgruppe Prof. Demtroeder

Laserspektroskopie an Schwefel-Kohlenstoff (CS2)

Gernot Brasen, Matthias Leidecker

Das CS2-Molekül ist nicht nur wegen seiner industriellen Anwendung als Lösungsmittel in der Kautschukherstellung und anderer chemischer Prozesse von großer Bedeutung, sonder stellt neben NO2 und SO2 für die Grundlagenforschung ein beliebtes quantenmechanisches Untersuchungsobjekt dar. Das CS2-Molekül liegt bei Zimmertemperatur in flüssigem Zustand vor und hat einen Dampfdruck von ca. 250 mbar. Diese Eigenschaften machen es recht umgänglich für spektroskopische Untersuchungen in der Gas-Phase. CS2 ist im elektronischen Grundzustand ein lineares Molekül und geht in den elektronisch angeregten Zuständen in eine gewinkelte Konfiguration über. Im Gegensatz zu CO2 sind diese Zustände optisch leicht zugänglich und liegen im spektralen Bereich von 400 nm bis 300 nm. Das Maximum der Absorption liegt bei 320 nm. Diese Wellenlängen sind mit frequenzverdoppelten kommerziellen Farbstofflasern gut zu erreichen.

 

Rotation des gewinkelten CS2 -Moleküls

Der faszinierende Aspekt des nahen UV-Absorptionsspektrums des CS2-Moleküls ist die hohe Dichte wechselwirkender elektronischer Zustände, die durch gegenseitige Störung zu verschiedenen interessanten Effekten führen. Das CS2-Molekül stellt ein Beispiel dafür dar, wie diese Störung sukzessive die reguläre Schwingungs- und Rotationsstruktur zerstört und wie mit zunehmender Anregungsenergie die Born-Oppenheimer-Näherung, die eine Entkopplung zwischen Kern- und Elektronenbewegung postuliert, zusammenbricht. Wir beschäftigen uns zur Zeit mit der Schwingungsanalyse des V-Zustandes von CS2. Dabei ist das Ziel die Vielzahl der im Spektrum auftretenden Schwingungsniveaus zu erklären und eine Zuordnung der einzelnen Übergänge vorzunehmen. Diese Zuordnung läßt dann Rückschlüsse auf die Geometrie des Moleküls zu, welche immer noch nicht ganz geklärt ist. Neuere ab-initio-Rechnungen machen eine erneute Analyse unumgänglich. Im Rahmen dieser Analyse arbeiten wir glücklicherweise in Kooperation mit der Gruppe von Prof. Hajime Kato an der Universität Kobe (Japan) zusammen.

 

 

Experimenteller Aufbau:

Die Apparatur besteht aus zwei Kammern mit Durchmessern von 350 mm bzw. 250 mm, die durch eine Wand, in der sich ein Skimmer mit variabler Spaltbreite befindet, getrennt sind. Beide Kammern werden von Diffusionspumpen evakuiert. Ein Gasgemisch von 10% CS2 und 90% Argon expandiert mit einem Gesamtdruck von 200 mbar durch eine Düse mit 0.070 mm Durchmesser in die Vakuumkammer und passiert nach 20 mm den Skimmer. Dieser hat eine Breite von 0.5 mm, was zu einer Reduzierung der Dopplerbreite auf 30 MHz führt. 25 mm hinter dem Skimmer werden die Moleküle senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung von einem Laserstrahl gekreuzt und im Kreuzungspunkt angeregt. Die Gesamtfluoreszenz wird senkrecht dazu detektiert. Als Lichtquelle dient ein frequenzverdoppelter Farbstofflaser. In einem externen Resonator, in dem sich ein LiJO3-Kristall befindet, wird das UV-Licht erzeugt. Durch die Leistungsüberhöhung der Fundamentalwelle im Resonator werden UV-Leistungen von bis zu 30 mW (bei 620 nm Fundamentalwellenlänge und 600 mW Pumpleistung) erreicht. Der Laser wird mit Hilfe eines PCs gesteuert, der auch gleichzeitig die Datenaufnahme übernimmt. Die Laserwellenlänge wird durch ein internes Wavemeter, das auf ein externes Traveling-Michelson-Wavemeter kalibriert ist, bestimmt und direkt an den Rechner übertragen. Zusätzliche Wellenlängenverstimmungen, die durch ein nichtlineares ?Fahren? des Lasers verursacht werden, werden mit Hilfe von Jodspektren, welche parallel zu den Messungen mit aufgenommen werden, korrigiert.

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