Графические представления спектральных данных атомов и молекул тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ЯЦЕНКО АЛЕКСЕЙ СТЕПАНОВИЧ

ГРАФИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

I,

01.04.05 «Оптика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН

Научные руководители: чл.-корр. РАН, профессор

Раутиан Сергей Глебович, д. ф.-м. н., профессор Шапиро Давид Абрамович

Официальные оппоненты: д.ф.-м. н., профессор

Князев Борис Александрович к. ф.-м. н.

Рябцев Игорь Ильич

Ведущая организация Институт оптики атмосферы СО РАН

Защита состоится « 2.S »0КТЯ&рЯ 2003 г. в часов на засе-

дании диссертационного совета К 003. 005. 01. в Институте автоматики и электрометрии СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коп-тюга, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и электрометрии СО РАН.

Автореферат разослан

2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.

Косых В. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

«Простые диаграммы могут дать большую информацию» .

Ш Мур

Актуальность темы. В работе каждого исследователя важное место занимает сбор и анализ информации по свойствам определенных физических систем. В случае газовых или плазменных систем эта информация относится к параметрам атомов, молекул и их ионов различной кратности, а также характеристикам энергетических уровней и переходов между ними. Такие данные могут быть зафиксированы в табличной или графической форме. Точные и обширные данные о спектрах удобно иметь в виде таблиц, а графическая форма хороша для общей ориентировки, например, в электронном строении ядра, атома или молекулы.

В атомной спектроскопии общепринята графическая форма в виде диа-:рамм Гротриана, основное назначение которых - дать наглядное представление о распределении возбужденных состояний по электронным конфигурациям и отметить наиболее интенсивные переходы. Основным источником, которым часто пользовались исследователи, был классический труд В. Гротриана [1], давно ставший библиографической редкостью. В нем по объективным причинам приведены в основном диаграммы для щелочных и щелочноземельных элементов. Отдельные диаграммы для других элементов были опубликованы в [2,3], как представляющие определенный интерес в астрофизике.

В период 1975 - 1982 гг. диаграммы для первых 24-х химических элементов и их ионов были выполнены достаточно подробно [4]. Однако из-за большого объема работ, выполняемых авторами при составлении диаграмм, многотомное издание не охватывает информацию для других элементов таблицы Д.И. Менделеева. Попытка продолжить построение диаграмм для следующих элементов предпринята в [5]. Авторы остановились пока на 29-м элементе. Диаграмм для элементов с большим зарядом ядра Ж в литературе не существовало, хотя потребность в них была.

Цель работы. Данная работа посвящена продолжению системного анализа и совершенствованию методов представления атомных и молекулярных систем в графическом изложении. На момент начала работы в 1981 г. в литературе имелись подробные диаграммы с описанием электронных конфигураций и атомных остатков для первых 24-х элементов и их ионов. Что касается графического представления молекулярных систем, то схемы существовали только частичные [6,7]. Поэтому интерес исследователей к дальнейшему развитию графических методов представления атомных (с большим Т1) и молекулярных систем вполне закономерен.

ЮС НАЦИОНАЛЬНАЯ

мымтем

С-вт^г гв

Научная новизна. Проанализированы и представлены графически современные данные по оптическим спектрам атомов, молекул и их ионов различной кратности для большинства элементов таблицы Д.И. Менделеева:

- предложены три типа диаграмм для различных схем сложения угловых моментов, которые отличаются от используемых ранее [1- 5];

- полные диаграммы для 40 элементов (часть переходных, все редкоземельные и трансурановые) построены впервые;

'' - впервые в полном объеме пос!троены диаграммы для двухатомных молекул (эксимеры, димеры, атмосферные газы):

Практическая ценность. Результаты работы носят методологический и методический характер. Получены акты об использовании предлагаемых диаграмм в ряде ведущих НИИ. Практически они рекомендованы автором для диагностики атомарных пучков в молекулярно-лучевой эпитаксии, в способах получения чистых веществ и тонких пленок. 1

На защиту выносятся следующие основные положения

Системный анализ оптических спектров атомных и молекулярных систем:

- методы построения диаграмм для атомов, молекул и их ионов;

- виды схем (диаграммы Гротриана) энергетических уровней и радиационных переходов атомныхсиСтем;

- графические представления электронной структуры двухатомных молекул. 1 " ' ' •

Апробация работы. Результаты по диаграммам Гротриана, предложен' йЫе автором, дбкладывались на семинарах в ИАиЭ СО РАН, ИФП СО Г3АН "'и ИОА СО РАН, представлены стендовым докладом на ХХУП-м Международном коллоквиуме по атомной спектроскопии (Норвегия, 1991 г.).

Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве ' опубликоЬйнЪ 18'различных работ, в том числе: монографии, журнальные статьи;1 препринты ИАиЭ, непериодические издания. Полный список публикаций приведен в конце реферата.

' •"Структура и объем работы. Рукопись состоит из введения, четырех гЯав, заключения, списка литературы, содержащего 69 наименований, и при-11Ьжения. Приняла' сквозйая нумерация ссылок, параграфов и рисунков. Общий объем рукописи'--'97 стр.,' включая 32 рисунка и 2 таблицы,-'

: (,ч . '/I ' I

' Г,- 1 Ч ' ^ .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается история графического метода анализа в атомной спектроскопии. Излагается структура работы, краткое содержание глав. , , В главе 1 рассмотрены основу графического представления атомных и молекулярных систем.

В параграфах 1.1.- 1.3. на простейшей модели показана дцскретная последовательность энергий. Отмечено, что такая дискретность отчетливо .проявляется в атомных системах. На основании эмпирической формулы Н. Бора приведен анализ графического представления дискретного спектра атома водорода в зависимости от главного квантового числа п. Рассмотрены, общепринятые особенности электронного представления атомных систем с помощью пяти квантовых чисел л, /, /я, .у,/

. В 1.4. - 1.5. проведен анализ эволюционного графического представления атома щелочного элементов в схемах Н. Бора (рис. 1), Д.С. Рождественского (рис,: 2) и В, Гротриана (рис. 3) [8 --,10] с помощью квантовых чисел п, к,]. Отмечается заслуга В. Гротриана, сумевшего объединить все известные схемы в своих диаграммах. В результате полного системного анализа, проведенного В. Гротрианом, появилась книга [1], где была собрана имеющаяся информация на тот момент времени об электронных состояниях и спектрах 23 атомов и 48 ионов различной кратности. На рис. 4 представлена окончательная схема атома натрия N0 I. В общем виде каждая диаграмма - прямоугольник, внутри которого с помощью линий, букв и чисел представлена электронная структура атомной системы. Положение уровней дано с помощью шкал в эВ и см ", радиационные переходы - в виде наклонных линий со значениями длин волн в А. Отмечены достоинства (размещение на одной странице, информация по термам и интенсивностям переходов) и недостатки (не учитываются электронные конфигурации, атомные остатки, нет сведений об электронной структуре атомов с большим Ъ ) диаграмм в современном представлении атомных систем. Вывод — необходимо учитывать все известные конфигурации электронных состояний.

В 1.6. - 1.7 рассмотрены методы представления электронных конфигураций атомных систем в современном виде [7 - 11]. Кратко описаны виды квантовых связей между электронами с возрастанием Z, условия перехода М-связи к Л- и у/- связям. Приведены принятые обозначения для молекулярных систем. Представлены различные схемы ат9мных систем, которыми пользовались исследователи в 30 - 60-х гт. (рис. 5,' из [7]). Внешне они напоминают гротриановские и использовались для определенных задач, например, показа лазерных линий [12]. Отмечены достоинства (частичное появление электронных конфигураций и атомных остатков, клеточная схема для точного определения энергии термов [13]) и недостатки таких схем (частичное представление, отсутствие данных по элементам с большим Z)

В 1.8. - 1.9. отмечено появление специальных изданий по диаграммам, представляющих определенный интерес в астрофизике [2, 3]. Особенность -появление запрещенных линий. Уделено значительное внимание универси-

тетской программе США по выпуску многотомного издания [4] (авторы - С. Башкин и Д. Стонер). Подробность изложения достигается за счет использования нескольких диаграмм на один элемент. Например, для представления атома хрома авторы использовали 86 различных схем! Разобраться в таком обилии диаграмм совсем не просто. На рис. 6 представлена одна из 4-х диаграмм для атома Ве I. Однако авторы опубликовали данные только для первых 24-х элементов и их ионов (до Л/и). Кратко анализируется цикл работ по диаграммам для ионов элементов Ре, Со, М, Си. Это совместные публикации авторов из Японии и США [5]. Схемы менее подробны, полнота изложения дополняется за счет табличных данных, приведенных после диаграмм.

В главе 2 рассмотрены виды диаграмм, предложенных автором, для атомов и их ионов различной кратности.

В параграфе 2.1. на примере электронного строения различных атомных систем анализируются особенности графического представления при возрастании Z.

1. При ЬЯ- связи в верней строке даются все существующие электронные конфигурации, во второй - символы термов атомных остатков и в третьей -все энергетические термы. На рис. 7 представлена диаграмма атома бериллия Ве I. Так как атомный остаток один и тот же, то вторая строка отсутствует. Сравниваются этот рисунок с рис. 6 из [4]. Отмечены достоинства (подробность изложения нй 4-х диаграммах в [4], размещение на одной странице и точность длин волн до 0,1 А на рис. 7) и недостатки этих схем (нет общей картины спектра, длины волн в целых числах в [4 ], нет точности в размещении термов по энергии Йа рис. 7 ).

2. Для Ц- связи (инертные газы) в верхней строке - все электронные конфигурации, во второй1 - с Км волы термов в //-связи и в третьей - значение полного момента',/. На рис. 8 представлена диаграмма электронного строения атома неона N6 I. Из сравнения рис. 5 и рис. 8 виден прогресс в изучении атома. В [4] атому неона посвящено 16 диаграмм, но при таком количестве отсутствует общая картина спектра и нет разрешения по мультиплетности, что затрудняет их использование (рис. 9).

3. Для редкоземельных и трансурановых элементов на предлагаемых диаграммах вторая и третья строки в большинстве случаев являются комбинациями первых двух случаев. На рис. 10 представлена диаграмма атома плутония Ри I. Спектр сложен в изучении и представлении. Из-за недостаточности сведений вторая строка отсутствует. Термы представлены как в ¿.У-так и у/- связях. Сравнение данной диаграммы с другими диаграммами этого же элемента невозможно из-за их отсутствия в литературе.

В параграфе 2.2. обсуждаются различные виды графического представления атомов. В отличие от известных (рис. 4,6,9) в предлагаемых диаграммах (рис. 7,8,10) основной терм находится в центре, низкие по энергии состояния - по краям, ближе к центру - высоковозбужденные. Такое размещение удобно для показа, например, большого числа резонансных линий. Порядок размещения четных и нечетных конфигураций также влияет на общую картину диаграмм. Здесь возможны следующие случаи:

- чередование четных и нечетных электронных состояний, как у большинства исследователей (рис. 4,6,7,9); з,

- разделение' четных и нечетных электронных состоянии относительно основного состояния (рис. 8,10).

В параграфе 2.3. анализируются вопросы о пересечениях линий внутри диаграмм в рамках терминов, известных из теории графов [14]. При чередовании четных и нечетных состояний исследователи использовали п-дольный граф с множеством пересечений линий (рис. 4). При использовании граф-дерева (корень и ветви) число пересечений значительно уменьшается (рис. 6,9). В предлагаемых диаграммах (рис. 8) использована другая схема граф-дерева (ствол и ветви). Это позволило значительно увеличить плотность информации внутри диаграмм.

В 2.4. анализируются достоинства (краткость изложения, почти вся таблица элементов и их ионов, применимость к 2-х атомным молекулам) и недостатки (нет точности представления уровней, ограничение числа линий переходов) предлагаемых автором диаграмм.

В главе 3 обсуждаются вопросы практического использования предлагаемых диаграмм.

В 3.1. кратко перечислены те области науки, где используются предлагаемые диаграммы. Приведены примеры конкретного применения в ИЯФ СО РАН, ИФП СО РАН, ИОА СО РАН, ИФ СО РАН. Это диагностика различных видов плазмы, оптический мониторинг атмосферы, поиск новых лазерных сред, преобразование частот лазерного излучения в парах щелочнь!к' металлов, применение в учебном процессе ВУЗов в качестве наглядного йо: собия.

Диаграммы были предложены для технической реализации:

- при диагностике атомарных пучков в молекулярно-лучевой эпитаксии;

- рекомендаций по очистке материалов электронной техники;

- способах получения тонких пленок.

Знание электронного ст роения атомов напыляемых материалов в технологии позволило с помощью лазерных источников улучшить качество пленок, вести точную диагностику примесей.

В 3.2. сообщается о том, что опыт построения атомных систем в графическом представлении оказался полезным и по отношению к форме изложения оптической информации о 2-х атомных молекулах. Это успешно использовалось для представления эксимеров, димеров и молекул, входящих в состав атмосферы. На рис. 11 представлен электронный спектр молекулы азота N2 - основной составляющей атмосферы.

В 3.3. автор обсуждает те области науки, где могли бы быть успешно использованы предлагаемые диаграммы. Это - учебная литература по квантовой механике и химии, исследование природы получения новых эксип-лексных молекул, выявление подобных серий в изоэлекгронных рядах.

В главе 4 обсуждаются вопросы программного обеспечения при графическом представлении атомных систем. Анализируются существующие за границей примеры создания баз данных (в основном табличные

http://physics.nist.gov/cgi-bin/AtData/main asd. и отдельно встречающиеся графические http:nedwww.ipac.cfltcch.edu/ewaId/Grotrian/grotrian.html). На

основе управляемой программы «Лемма» (НГУ) построена информационная система «Электронная структура атомов», позволяющая графически представить полную атомную структуру на примере атома Be I (рис. 13 [15]). Из сравнений с рис. 6,7 виден прогресс в графическом представлении данного атома. Система позволяет:

- представить графически полную электронную структуру атома;

- за счет выбора диапазона по энергии, четко выделить ридберговские и автоионизационные состояния;

- показать на диаграмме все известные радиационные переходы (около 200);

- путем задания определенной области спектра построить частичную диаграмму, содержащую необходимые для данного исследователя спектральные линии.

В заключении приведены следующие основные результаты диссертации:

1. Разработан метод составления диаграмм энергетических уровней и радиационных переходов, включающий электронные конфигурации, атомные остатки и квантовые числа различных состояний электрона в атоме. По сравнению со схемами Гротриана предлагаемые диаграммы содержат большую информацию. В отличие от схем Башкина и Стонера (США) диаграммы размещены на одной странице, поэтому более кратки, наглядны и удобны в работе.

2. Разработаны три вида диаграмм в зависимости от схемы сложения угловых моментов, в которых учитываются все электронные конфигурации,.. атомные остатки, термы, значения полного момента J, основные радиационные переходы.

3. Составлены диаграммы для большинства химических элементов таблицы Д.И. Менделеева, включая атомы и ионы различной кратности (в том числе для большей части переходных, всех редкоземельных и трансурановых и их ионов диаграммы построены впервые).

4. Построены диаграммы для электронных переходов двухатомных молекул (эксимеры, димеры и атмосферные газы), по димерам такая информация представлена для большинства элементов периодической таблицы.

5. Создан прототип информационной системы, обеспечивающей хранение, обработку и представление табличных данных об электронном строении атомов в графическом виде.

Рис. 2. Схема термов и переходов по Д.С. Рождественскому [9]

к-* ' .к"3. . . :к"2 . *-= I

~-¿¡<2--бп---би <!!

1а"- 5« ----5л ¡12'-—5ц 5ц

- —<и

3П- За~ -Зи —3«

■Зп~ -1м

П|д

Рис. 4. Диаграмма В. Гротриана для атома № I [I].

Рис. 5. Схема уровней и переходов в атоме Ые I [7]

• <

Рис. б. Схема уровней и переходов в атоме Ве I [4].

S3

о

a

•a

ai

p

-i p

о X n S

P u ta fl>

О

iE »

О »

3

■a

E p

H о

S p

Z о

21,8

130000-

-17

-16

ц

ст

75192 --г

гвпр 2рпг 2рпа 'а?' 2рпр . 2рЫ 2р2 2зпг

2Б гре 2рО 2рО 2ри 2Э 2Э '

3РЙ.2 .рО Н. 3Р8.3 1Р? 120?.3 •аь 'Р. 15Рм ^а I 'Р. •зь 'Ро-2 '0» 'ЭЬ

±±= ± ± Й= -Ц,* -1- *

и.еУ

•т9.32

Рис. 12. Предлагаемая электронная структура атома Ве I [15].

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Grotrian W. Graphische Darstellung der Spektren von Atomen und Ionen mit ein, zwei und drei Valenzelektronen. Berlin, J. Springer, 1928, Bd. 2."

2. Moore Ch., Merrill P. Partial Grotrian Diagrams of Astrophysical Interest. US, NSRDS-NBS 23. Washington, 1968.

3. Yokosawa M. et al. Grotrian Charts of Neutral and Singly lonized Rare Gases in a Vacuum UV-regoin. NHK Laboratories, ser. 183. Tokyo: NHK Laboratories note, 1974.

4. Bashkin S., Stoner .1. Atomic Energy Levels and Grotrian Diagrams. Vols. ! -4. Amsterdam: North-Holland Publ. Co, 1975-1984.

5. ShirarT. et al. // J. Phys. And Chem. Ref. Data. 1990. Vol. 19, № 1J P„„ 127-276; 1992. Vol. 21, № l. p. 23-122; Vol. 21, № 2. P. 273-390.

6. ГерцбергГ. Спектры и строение двухатомных молекул. М.: ИЛ, 1949.

7. Ельяшевич М А Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: Фи> матгиз, 1962. ■ -'- ;

8. Бор Н. Три статьи о спектрах и строении атомов. М.-Пг.: Госиздат, • 1923.

9. Рождественский Д.С. Избранные труды. M.-J1.: Наука, 1964, С. 66.

10. Гротриан В. // УФН. 1925 . Т. 25, № 3. С. 186.

11. Фршр С.Э. Оптические спектры атомов. М.: Физматгиз, 1963.

12. Справочник по лазерам (пер. с англ. Под ред. А.М. Прохорова). В 2-х томах. ТогГ1.М.: Радио, 1978, С. 80;

13. American Institute of Physics Handbook. Mc Graw-Hill, New-York, USA, '963.

14. Берж-К.Трория графов и ее применения (пер. с франц.). М.: ИЛ, 1962.

15. Тюменцев A.C. Информационная система «Электронная структура ., . атомов» (дипломная работа НГУ 2003г., руководители ~ Казаков В.Г., Яценко A.C.). Тезисы докладов XI-ой Международной студенческой школы-семинара «Новые информационные технологии». В 2- томах. М.: МГИЭМ, 2003. С. 405-407.

СПИСОК ТРУДОВ

1а. Прокопьев В.Е., Яценко A.C. Диаграммы Гротриана нейтральных атомов. Новосибирск, 1981. Препринт ИАиЭ №160.

2а. Прокопьев В.Е., Яценко A.C. Уровни энергий и радиационные переходы нейтральных атомов Новосибирск, 1981. Препринт ИАиЭ № 161.

За. Яценко A.C., Косолобов С.Н., Ржанов A.B. и др. Лазерные методы очистки материалов электронной техники. (Обзоры по электронной технике. Серия 6. Материалы). М.: ЦНИИ «Электроника», 1984. Вып. 1(1007).

4а. Хапов Ю.И., Яценко A.C. Электронные состояния и радиационные переходы эксиплексных молекул. Новосибирск, 1985. Препринт ИАиЭ №261.

5а. Смирнов Б.М., Яценко A.C. Димеры металлов. Новосибирск,1986. Препринт ИАиЭ № 309.

6а. Смирнов Б.M., Яценко A.C. Параметры газовых димеров. Новосибирск, 1987. Препринт ИАиЭ № 337.

7а. Смирнов Б.М., Яценко A.C. Димеры // Химия плазмы. М.: Атомиздат, 1987. Вып. 14, С. 31 - 65; Riviews of Plasma Chemistry (ed. B.M. Smirnov). -N.-Y., Consultant Bnreua, 1993 - Vol. 1, P. 31-65.

8a. A.c. N 1316304 СССР. Способ нанесения тонких пленок. /Богатырев В.А., Щекочихин Ю.М., Яценко A.C. Опубл. 1987.

9а. Телегин Г.Г., Яценко A.C. Электронные состояния и радиационные переходы молекул атмосферного газа. Новосибирск, 1988. Препринт ИАиЭ № 374.

10а. Смирнов Б.М., Яценко A.C. Параметры газовых димеров.//Химия плазмы М.: Атомиздат, 1989. Вып. 15, С. 93 - 126; Reviews of Plasma Chemistry (ed. B.M. Smirnov). N.-Y., Consultant Bureua, 1994 - Vol. 2, P. 93-126.

11a. Бетеров И.М., Яценко A.C. Методы диагностики молекулярных пучков. Новосибирск, 1991. Препринт ИАиЭ № 439.

12а. Яценко A.C. Диаграммы Гротриана нейтральных атомов. Новосибирск, Наука, 1993.

13а. Яценко A.C. Диаграммы Гротриана однократных ионов. Новосибирск, Наука, 1996.

14а. Смирнов Б.М., Яценко A.C. Свойства димеров // УФН - 1996. Т. 166, .4» 3. С. 225-246.

15а. Смирнов Б.М., Яценко A.C. Димеры. Новосибирск, Наука. 1997.

16а. Раутиан С.Г., Яценко A.C. Диаграммы Гротриана // УФН-1999. Т. i 69, № 2. С. 217-220.

17а. Телегин Г.Г., Яценко A.C. Оптические спектры атмосферных газов Новосибирск, Наука, 2000.

18а. Яценко A.C. Диаграммы Гротриана многократных ионов. Новосибирск, Наука, 2001.

Подписано к печати « 2. Ч » С&ИТЯбЬЯ 2003 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Объем печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 3/.

Отпечатано «Документ Сервис», 630090, Новосибирск, Институтская 4/1, тел. 396-600

2-оо5-А ! Р1 5 2 5 6 I

i

I. Введение.

II. Содержание. Графические представления спектральных данных атомов и молекул.

Глава 1. Графические представления атомных систем.

1.1. Дискретная последовательность уровней.

1.2. Простая схема атома водорода.

1.3. Особенности электронного строения атома.

1.4. Эволюция графического представления атома.

1.5. Диаграммы В.Гротриана.

1.6. Электронные представления атомов в современном виде.

1.7. Поиск новых графических представлений атома.

1.8. Диаграммы Гротриана в университетской программе США.

1.9. Совмест ные разработки японских и американских ученых.

Глава 2. Предлагаемые автором виды диаграмм.

2. ЪПредставление электронных конфигураций.

2.2. Комбинации четных и нечетных состояний.

2.3. Использование геометрических образов.

2.4. Достоинства и недостатки предлагаемых диаграмм.

Глава 3. Использование диаграмм, предложенных автором.

3.1. Технические и методические применения.

3.2. Применимость диаграмм к двухатомным молекулам.

3.3. Рекомендации по применению диаграмм.

Глава 4. Вопросы программного обеспечения.

§ 4.1. Общие положения.

4.2. Структура данных.

4.3. Преимущества информационной программы «Электронная структура атомов».

Простые диаграммы могут дать большую информацию.» Ш. Мур.

В работе каждого исследователя важное место занимает сбор и анализ информации по свойствам определенных физических систем. В случае газовых или плазменных систем эта информация относится к параметрам атомов, молекул и их ионов различной кратности, а также характеристикам энергетических переходов. Для любого специалиста представляет интерес не только значение определенного параметра, но и точность и надежность его получения. Такие данные могут быть зафиксированы в табличной или графической форме.

К 1913 г. спектроскопия накопила обширный фактический материал о частотах спектральных линий в излучении и поглощении. Подводя итоги «. 60 лет работы, выразившейся в пятнадцати тысячах исследований», Д. С. Рождественский в 1915 г. писал: « Все элементы получили свою характеристику в списках спектральных линий, . списки эти почти исчерпаны. Длины волн измерены иногда с поражающей точностью., установлены эмпирические зависимости между длинами волн спектральных линий» [1].

Частоты линий также с «поражающей точностью» подчиняются формуле Ридберга v,, = Г,(л,) - 7;(и,), rW-t * (1)

0 + а + (5 / и')' где п - целое число, R, а, Д - постоянные. Величина Т(п) получила название «спектральный терм», а потом, когда этимология забылась, - просто «терм» от английского term - член, слагаемое). Н. Бор связал терм с энергией стационарного состояния атома, а соотношению (1) придал смысл закона сохранения энергии при радиационном переходе атома из одного стационарного состояния в другое.

При изучении спектров термы имеют гораздо большее значение, чем спектральные линии, поскольку последние можно рассчитать с помощью термов. Многообразие линий значительно богаче, чем сравнительно простое многообразие термов, которое собственно и отражает индивидуальные особенности того или иного атома. Однако извлечь спектральные серии (]) из таблиц частот линий чрезвычайно сложно. В обзоре [2] Г.С. Ландсберг в этой связи пишет: «Недаром Пашен говорит, что безнадежно пытаться найти серию, рассматривая таблицы спектров, «если только не быть Ридбергом»». И вот здесь существенную роль сыграли графические методы анализа.

Известно, что в классической физике весьма популярны графики, показывающие самые разные зависимости, например, зависимость потенциальной -энергии взаимодействия от расстояния IJ(x). Глаз мгновенно схватывает особенности графика, и для формирования .качественной картины это часто бывает полезнее, чем анализ явного выражения для U(x). -Недаром установились термины (а словарный состав языка отражает существо дела!) «потенциальная яма», «потенциальный барьер», «точка поворота» и т.д. явно навязанные геометрическими образами.

Вполне аналогичную познавательную роль сыграли графические построения в атомной спектроскопии. Точные и обширные данные о спектрах конечно же удобно иметь в виде таблиц. Однако схема уровней хороша для общей ориентировки в электронном строении атомной системы. Такой схемой в атомной спектроскопии являются диаграммы Гротриана, основное назначение которых - дать наглядное представление о распределении возбужденных состояний по электронным конфигурациям атомов и отметить наиболее интенсивные переходы в наблюдаемом спектре излучения или поглощения.

Данная работа посвящена продолжению анализа и усовершенствованию атомных и молекулярных систем в графическом представлении. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы.

Первая глава носит обзорный характер. Рассмотрены основные требования к графическим построениям атомных систем, их особенности, эволюционное развитие диаграмм от самых первых до современных представлений. Отмечены как положительные, так и отрицательные моменты.

В главе 2 излагаются основы представления диаграмм для атомных систем, предложенных автором. Рассмотрены три вида диаграмм для различных связей квантовых чисел в атомах- (LS, jj, jt) Размещенная на одной странице, диаграмма дает полную информацию об электронном строении атомных систем - конфигурации электронных состояний, уровнях энергий, квантовых числах, основных переходах. Для качественного построения на диаграммах -уровней и переходов выбраны схема граф-дерево, оптимальное расположение четных и нечетных конфигураций и прямоугольник «золотого сечения». Отмечены как достоинства (размещение на одной странице, построение для большинства химических элементов и их ионов) так и недостатки (точно не определено положение уровней, ограничено число переходов до 20 - 25 линий на элемент) предлагаемых диаграмм.

В главе 3 обсуждаются вопросы практического использования диаграмм широким кругом специалистов. Они применены для решения ряда физических, технических, методических и других задач. Опыт построения диаграмм для атомных систем был использован и по отношению к форме изложения спектроскопической информации для двухатомных молекул (эксимеров. ди-меров, атмосферных газов). В первую очередь предлагаемые диаграммы предназначены для физиков, инженеров и студентов, занимающихся вопросами атомной и молекулярной спектроскопии, электрического разряда, плазмы, магнитной гидродинамики, квантовой электроники и астрофизики.

В главе 4 обсуждаются вопросы программного обеспечения для представления атомных систем в графическом виде и создания базы данных. Анализируются существующие за границей примеры создания (в основном табличных и редко встречающиеся графические) данные по атомным спектрам. На основе управляемой программы «Лемма» (НГУ) построена информационная система «Электронная структура атомов», позволяющая графически представить полную атомную структуру на примере атома Be I.

В приложении представлена и описана диаграмма классов и связей между ними в СУБД «Лемма».

Практическая значимость работы носит как методологический, так и методический характер. Получены акты об использовании предлагаемых диаграмм в ИЯФ СО РАН, ИФП СО РАН, ИОА СО РАН, ИФ СО РАН.

Основное содержание работы отражено в 18-и различных публикациях -книги, статьи, препринты, непериодические издания. Результаты работ докладывались на семинарах различного уровня, стендовым докладом на XXYII Международном коллоквиуме по спектроскопии (Норвегия, 1991 г).

На защиту выносятся следующие положения: системный анализ оптических спектров атомных и молекулярных систем:

- методы построения диаграмм для атомов, молекул и их ионов,

- схемы (диаграммы Гротриана) энергетических уровней и переходов атомных систем в зависимости от сложности их электронного строения;

- графическое представление электронной структуры двухатомных молекул.

Список обозначений

1. Атомы:

Терм основного и возбужденного состояния в LS- связи - lSo, 1P°i Терм возбужденного состояния в jj- связи - (1/2, 3/2)2° Терм возбужденного состояния в /7- связи - [3/2]°у

2. Двухатомные молекулы:

Энергия электронного терма - Те Энергия колебательного кванта - сое Постоянная энгармонизма - (йеХе Вращательная постоянная -Ве

Параметр колебательно-вращательного взаимодействия - ае Символы термов - X, А, В. а, Ь, с . Энергия диссоциации - Д, Равновесное расстояние между ядрами - ге

II. Основная часть. Графические представления спектральных данных атомов и молекул

III. Заключение. Основные выводы.

В заключении приведены следующие основные результаты диссертации:

1. Разработан метод составления диаграмм энергетических уровней и радиационных переходов, включающий электронные конфигурации, атомные остатки и квантовые числа различных состояний электрона в атоме. По сравнению со схемами Гротриана предлагаемые диаграммы содержат большую информацию. В отличие от схем Башкина и Стонера (США) диаграммы размещены на одной странице, поэтому более кратки, наглядны и удобны в работе.

2. Разработаны три вида диаграмм в зависимости от схемы сложения угловых моментов, в которых учитываются все электронные конфигурации, атомные остатки, термы, значения полного момента /, основные радиационные переходы.

3. Составлены диаграммы для большинства химических элементов таблицы Д.И. Менделеева, включая атомы и ионы различной кратности (в том числе для большей части переходных, всех редкоземельных и трансурановых и их ионов диаграммы построены впервые).

4. Построены диаграммы для электронных переходов двухатомных молекул (эксимеры, димеры и атмосферные газы), по димерам такая информация представлена для большинства элементов периодической таблицы.

5. Создан прототип информационной i системы, обеспечивающей хранение, обработку и представление табличных данных об электронном строении атомов в графическом виде.

Результаты данной работы использовались практически в институтах физического профиля ИЯФ СО РАН, ИОА СО РАН, ИФ СО РАН, ИФП СО РАН, о чем подтверждено актам об использовании.

В заключении автор выражает благодарность научным руководителям С. Г. Раутиану и Д.А. Шапиро, рецензентам Б.А. Князеву и И.И. Рябцеву, соавторам В.Е. Прокопьеву, Б.М. Смирнову, Г.Г. Телегину и коллективу лаборатории физики лазеров за полезные обсуждения и помощь в работе.

1. Рождественский Д. С. « Простые соотношения в спектрах щелочных металлов «. В сб. «Работа по аномальной дисперсии в парах металлов» (под ред. С. Э. Фриша). - М.: Изд. АН СССР , 1951, С. 145.

2. Ландсберг Г. С. Спектральные формулы и их графическое изображение. // УФН 1925 - Т. 5, С. 379.

3. Бор Н. Три статьи о спектрах и строении атомов. М,- Пг.: Госиздат, 1923.

4. Собельман И. И. Введение в теорию атомных спектров. М., Физмат-гиз, 1963; Наука, 1977. - 320 с.

5. Фриш С. Э. Оптические спектры атомов. М., Физматгиз, 1963. - 640

6. Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М., Физматгиз, 1962. - 892 с.

7. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. М.-Л., Гостехиз-дат, 1949; Наука, 1989 (4 изд). - 704 с.

8. Рождественский Д. С. Значение спектральных линий. / Избранные труды. -М.-Л., Наука , 1964, С. 66.

9. Гротриан В. Методы анализа сложных спектров, в частности, спектра железа. // УФН 1925 - Т. 5, N 3 - С. 186, 1 89.

10. Grotrian W. Graphische Darstellung der Spektren von Atomen und Ionen mit ein, zwei und drei Valenzelektronen. Berlin, 1928, J. Springer, Bd. 2.

11. Борн M. Современная физика. -JI.-M.; ОНТИ, 1935.

12. Бете Г. Квантовая механика простейших систем. JI.-M.: Гостехиз-дат, 1935.

13. Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. М., ГИТТЛ, 1927; Гос-техиздат, 1956. В 2-х томах.

14. Фриш С. Э. Атомные спектры. JI.-M.: Гостехиздат, 1933. - 436 с.

15. Кондон Е., Шортли Г. Теория атомных спектров (пер. с англ.) М., ИЛ, 1949.-440 с.

16. Герцберг Г. Атомные спектры и строение атомов (пер. с англ.). М., ИЛ, 1948. - 280 с.

17. Martin W., Zalubas R., Hagan L. Atomic Energy Levels the rare-earth Elements. - US, NBS, NSRDS- NBS 60 - Washington, 1978. - 416 p.

18. Стриганов A. P., Лобиков E. А. Эмиссионные спектры и энергети -ческие уровни нейтрального атома и первого иона кюрия. М., Энер-гоатомиздат, 1991. - 185 с.

19. American Institute of Physics Handbook. Mc Graw-Hill New-York, -USA, 1963. - 7-13 p.

20. Справочник по лазерам (пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова). В 2-х томах. Том 1 - М., Радио, 1978, С. 80.

21. Moore Ch., Merrill P. Partial Grotrian Diagrams of Astrophysical Interest. US, NBS, NSRD-NBS 23 - Washington, 1968.

22. Yokosawa M., Matsuzaki H., Kamegaya Т., Nakajima M. Grotrian Charts of Neutral and Singly Ionized Rare Gases in a Vacuum UV-region. -( NHK Laboratories, ser. 183 ) Tokyo: NHK Laboratories note, 1974.

23. Bashkin S., Stoner J. Atomic Energy Levels and Grotrian Diagrams. -Vols. 1- 4. Amsterdam: North-Holland Publ. Co - 1975-1982.

24. Moore Ch. Atomic Energy Levels and Grotrian Diagrams (Vol. 1). // JOSA 1976 - Vol. 66, N 8 - P. 869-870.

25. Moore Ch. Atomic Energy Levels. US, NBS, NSRDS-NBS 35 - Washington, 1971 - Vols. 1-3.

26. Huang K.-N. Atomic Energy Levels and Grotrian Diagrams of Iron. -North-Holland, Amsterdam, 1999.

27. Прокопьев В. E., Яценко А. С. Диаграммы Гротриана нейтральных атомов /Препринт ИАиЭ № 160 Новосибирск, 1981.- 52 е.; Электронные состояния и радиационные переходы нейтральных атомов.

28. Препринт ИАиЭ № 161 Новосибирск, 1981. - 52 с.

29. Стриганов А. Р. // Препринт ИАЭ 2965. - Москва, 1978.

30. Bleise J., Fred М., Gutmacher R. Term analysis of the spectrum of neutral plutonium Pu I . //JOSA- 1986 Vol. 3 B, № 3 - P. 403 - 418.

31. Корлисс Ч., Бозман У. Вероятности переходов и силы осцилляторов 70 элементов. М., Мир, 1968. - 562 с.

32. Стриганов А. Р., Свентицкий Н. С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов. М., Атомиздат, 1966. - 900 с.

33. Одинцова Г. А., Стриганов А. Р. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов. М., Энергоиздат, 1982. - 312 с.

34. Payling R., Larkins P. Optic Emission Lines of the Elements. N.-Y., Willey, 2000.-760 p.

35. Берж К. Теория графов и ее применения (пер. с франц. ). М., ИЛ, 1 962.

36. Большой Энциклопедический Словарь. Математика (под ред. Ю. В. Прохорова) М„ БРЭ, 1998, С. 219.

37. Летохов В. С. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах. М., Наука, 1983. - 408 с.

38. Раутиан С. Г., Яценко А. С. Диаграммы Гротриана. // УФН 1999Ш- Т. 169, №2-С. 217-220.

39. Яценко А. С., Косолобов С. Н., Ржанов А. В. и др. Лазерные мето -ды очистки материалов электронной техники; Обзоры по электронной технике. Серил 6. Материалы. Вып. 1 (1007) - М.: ЦНИИ «Электроника», 1984.

40. А. С. № 1 316 304 СССР. Способы нанесения тонких пленок. / Богатырев В. А., Щекочихин Ю. М„ Яценко А. С. 1987 (1982).

41. Бетеров И. М., Яценко А. С. Методы диагностики молекулярных пучков./ Препринт ИАиЭ № 439 Новосибирск, 1991.

42. Денисов А. Г., Закурдаев И. В., Черняк Е. Я., Шерозия Г. А. Перспективы использования оптических методов анализа в технологических процессах. //Электронная промышленность 1982 - № 10-11 - С. 75 -78.

43. Хапов Ю. И., Яценко А. С. Электронные состояния и радиационные переходы эксиплексных молекул. /Препринт ИАиЭ № 261- Новоси -бирск, 1985. 36 с.

44. Смирнов Б. М., Яценко А. С. Димеры металлов./ Препринт ИАиЭ № 309 Новосибирск, 1986; Химия плазмы - М., Атомиздат, 1987 - Вып. 14, С. 31-65; Reviews of Plasma Chemistry (Ed. В. M. Smirnov) - N.-Y., Consultant Bureau, 1993 - Vol. 1, P. 31-65.

45. Смирнов Б. M., Яценко А. С. Свойства димеров. // УФН 1996 - Т. 166, N 3 - С. 225-246.

46. Смирнов Б. М., Яценко А. С. Дим еры. Новосибирск, Наука, 1997. - 148 с.

47. Герцберг Г. Спектры и строение двухатомных молекул (пер. с англ.).-М., ИЛ, 1949.

48. Хьюбер К.-П., Герцберг Г. Константы двухатомных молекул. В 2-х частях. М., Мир, 1984.

49. Телегин Г. Г. Яценко А. С. Электронные состояния и радиационные переходы молекул атмосферного газа. / Препринт ИАиЭ № 374 Новосибирск, 1988. - 52 с.

50. Телегин Г. Г., Яценко А. С. Оптические спектры атмосферных газов. Новосибирск, Наука, 2000. - 240 с.

51. Зуев В. Е., Макушкин Ю. С., Пономарев Ю. Н. Спектроскопия атмосферы. -Л., Гидрометеоиздат, 1987.

52. Атмосфера Солнца, межпланетная среда, атмосфера планет. Сб. научных трудов ИЗМИРР / под ред. Р. А. Гуляева М., 1989.

53. Окабе X. Фотохимия малых молекул (пер. с англ.). М., Мир, J981.

54. Ораевский А.Н. и др. // Квантовая электроника 1998 - Т. 28, № 7 -С. 601-605.

55. Смирнов Б. М. Процессы в плазме и газах с участием кластеров. //УФН 1997 -Т. 167, № 11 - С. 1169- 1200.

56. Ионов С.П., Кузнецов Н.Т. // Коорд. химия 2001 - Т. 27, № 9 - С. 667-671.

57. Дирак П. А. М. Основы квантовой механики. ^ М.-Л.: ОНТИ Гостех-издат, 1932, 320 с.

58. Марх А. Основы квантовой механики. М.-Л.: Гостехиздат, 1933.

59. Фок В. А. Начала квантовой механики. Л., Изд. ГОИ, 1932; М., Наука, 1976. - 376 с.

60. Ферми Э. Квантовая механика (пер. с англ.). М., Мир, 1968. - 368 с.

61. Шифф Л. Квантовая механика (пер. с англ.). М., ИЛ, 1957. - 475 с.

62. Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. М.-Л., Гостехиздат, 1949; М„ Высшая школа, 1961. - 512 с.

63. Вихман Э. Квантовая механика (пер. с англ.). М., Наука, 1974.

64. Fuhr J., Lesage A. Bibliography оп Atomic Line Shapes and Shifts. US Dep. Comm., - NIST Special Publication Supp. 4. - Gaitliersburg, 1993; Supp. 5 - 1999.

65. Kramida A., Martin W. A compilation of energy levels and wavelengths for beryllium. // J. Phys. and Chem. Ref. Data. 1997 - Vol. 26, № 51. P. 1185-1194.

66. Казаков В. Г. Исследование, разработка и применение курсового # обеспечения с использованием мультимедиа технологий в учебномпроцессе Вуза. Диссер. кандидата физ-мат наук. - Новосибирск, НГУ, 1999.1. Постановка задачи

67. С развитием информационных технологий появилась возможность строить графическое представление динамически, отвечая потребностям пользователя.

68. В Интернет существует несколько ресурсов по атомам и ионам, но это либо коммерческие закрытые электронные справочники типа http:www.atomicengineeringcorp.com, либо ресурсы, не имеющие представления в виде диаграмм Гротриана http:physics.nist,gov.

69. Целью данной работы является построение информационной системы (ИС), обеспечивающей хранение, обработку, представление данных об электронном строении атомов и открытый доступ по сети Интернет. Система должна обеспечивать следующие возможности:

70. S Наличие дополнительной информации, такой как библиографические ссылки или же полнотекстовые научные статьи, комментарии к выводимым данным, другая справочная информация.

71. Такая система должна в достаточной мере обеспечить специалистов необходимой информацией.2. Проектирование системы

72. СУБД ЛЕММА как основа построения информационной системы

73. Макросы описания подстановок в текст учебной единицы данных других объектов системы, используются при формировании объектов ресурса.22. Модель данных

74. Для полноты и более легкого дополнения модели лучше физическая модель электронной конфигурации атомов и виды диаграмм Гротриана. На этой, чтобы ее части соответствовали определенным физическим факторам.

75. Ниже рассмотрены основе построены модели классов в системе ЛЕММА и в графическом представлении.

76. Проектирование системы и интерфейса графического представления

77. V : \ представдешсе j • | С.|4 \ | II4

78. Рис. 1. Общее представление информационной системы.

79. Пользователь заходит на сайт, где расположен ресурс, например, http://www.mmedia.nsu.ru/grotrian, и, следуя логике сайта, выбирает, в каком виде и какую информацию он хотел бы получить.

80. Редактирование и ввод новых объектов также осуществляется через Интернет. Для этого необходимо на начальной странице кликнуть на ссылку "Ввод и редактирование данных".

81. Ниже на рис. 2. представлена диаграмма классов и связей между ними в СУБД ЛЕММА.

82. COutputTable <-- CSelectionPage