Исследование ориентационных эффектов при взаимодействии отрицательных ионов с ультракороткими импульсами электромагнитного поля

Юлкова, Виктория Михайловна

Исследование ориентационных эффектов при взаимодействии отрицательных ионов с ультракороткими импульсами электромагнитного поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Юлкова, Виктория Михайловна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Архангельск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование ориентационных эффектов при взаимодействии отрицательных ионов с ультракороткими импульсами электромагнитного поля»

Автореферат диссертации на тему "Исследование ориентационных эффектов при взаимодействии отрицательных ионов с ультракороткими импульсами электромагнитного поля"

На правах рукописи

УДК 537.563.5; 544.174

Юлкова Виктория Михайловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ОРИЕНТАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ С УЛЬТРАКОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ПОЛЯ

Специальность: 01.04.02-теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2013 г.

2 о Ш ¿013

005062189

Работа выполнена на кафедре теоретической физики федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук, доцент Есеев Марат Каналбекович

доцент кафедры теоретической физики Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Беляев Андрей Константинович

профессор кафедры теоретической физики и астрономии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российского педагогического университета им. А. И. Герцена»

кандидат физико-математических наук, доцент Литвинов Андрей Николаевич

доцент кафедры теоретической физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сыктывкарский государственный университет»

Защита состоится «27» июня 2013 г. в/т2"часов на заседании диссертационного совета Д 212.199.21, созданного на базе Российского педагогического университета им. А.И.Герцена, по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48, корпус 3, ауд. 52.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского педагогического университета им. А. И. Герцена, по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48, корпус 5.

Автореферат разослан мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук, доцент / Н. И. Анисимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из актуальных задач современной физики является изучение поведения вещества в сверхсильных электромагнитных полях. Например, проводятся эксперименты, позволяющие исследовать поведение наночастицы, водных капель миллиметрового размера при их взаимодействии с фемтосекундным лазерным импульсом. Однако особенностью экспериментов в области фемто- и аттофизики является сложность их интерпретации. Поэтому необходимо сначала развить теорию, описывающую фундаментальные процессы. Большой интерес, проявляемый к ультракоротким импульсам [1], определяется тем, что они дают возможность изучать явления микромира [2], которые происходят за времена порядка фемтосекунд и менее. Также в последнее время широко изучаются процессы с участием отрицательных ионов, которые имеют важное значение в донорно-акцепторных взаимодействиях, окислительно-восстановительных реакциях. Описание взаимодействия отрицательных ионов с излучением имеет большое практическое значение. Светимость Солнца в основной части спектра обуславливается процессами образования отрицательного иона водорода. На свечении ночного неба отражается фотоприлипание электрона к атому кислорода. Существенным образом на холодную часть газового разряда влияет фоторазрушение отрицательных ионов. Характерное время движения слабосвязанного электрона в отрицательном ионе существенно превышает таковое для атомов (г~1017 с), но не превышает длительность ультракороткого импульса (г~1СГ18 с). Малая продолжительность такого импульса позволяет использовать приближение внезапных возмущений. В рамках данного приближения в работе рассмотрены процессы переизлучения и ионизации ультракороткого импульса электромагнитного поля при взаимодействии с анионом. Для описания отрицательного иона применялся метод потенциалов нулевого радиуса. Данная работа посвящена теоретическому исследованию ориентационной зависимости спектров переизлучения и определения вероятности ионизации отрицательных ионов при взаимодействии с ультракороткими импульсами электромагнитного поля.

Работа под держана ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по соглашению № 14.А18.21.1302.

Объектами исследования являются ультракороткие импульсы электромагнитного поля и отрицательные ионы, а предметом исследования - процессы переизлучения и ионизации при взаимодействии ультракороткого импульса с отрицательным ионом.

Цель работы заключается в теоретическом исследовании процессов переизлучения и ионизации отрицательных ионов при взаимодействии с ультракороткими импульсами электромагнитного поля. В работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать процесс отрыва слабосвязанного электрона при взаимодействии ультракороткого импульса электромагнитного поля с отрицательным ионом.

2. Исследовать процесс переизлучения отрицательных ионов при взаимодействии с ультракороткими импульсами электромагнитного поля.

3. Выяснить особенности процессов, сопровождающих взаимодействие ультракороткого импульса электромагнитного поля с отрицательным ионом.

4. Проанализировать ориентационные эффекты молекулярных отрицательных ионов при взаимодействии с ультракороткими импульсами электромагнитного поля.

Научная новизна работы определяется, прежде всего, тем, что большинство предлагаемых расчетов было выполнено на основе оригинальных методов, разработанных с участием автора диссертации, для описания фундаментальных процессов, интенсивно исследуемых в настоящее время.

1. Получены аналитические выражения для расчета электронных спектров ионизации отрицательных ионов при взаимодействии с ультракороткими импульсами.

2. На основе разработанного метода произведен расчет спектров переизлучения отрицательных ионов при взаимодействии с ультракороткими импульсами.

3. В рамках развитого метода выполнен анализ ориентационных эффектов молекулярных отрицательных ионов при взаимодействии с ультракороткими импульсами.

Достоверность и научная обоснованность полученных в работе результатов и выводов обеспечивается не только сравнением с методами и результатами расчетов других авторов, а также доступностью аналитических оценок полученных результатов, имеющих прозрачный физический смысл.

Научная и практическая ценность работы заключается в развитии методики расчета, которая применяется для исследования процессов взаимодействия вещества с ультракоротким импульсом. Результаты проведенного исследования могут быть использованы в некоторых областях физики и химии. Например, в атомной физике и физической электронике они могут быть применены для управления отрицательными ионами в различных технических приложениях, а также в уточнении значений энергии сродства анионов, изучения поведения анионов в сверхсильном электромагнитном поле; в астрофизике - для изучения поведения вещества в экстремальных состояниях; в химии - для исследования динамики элементарных химических реакций в газах, содержащих отрицательные ионы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обобщение методов расчета для спектров переизлучения. Применение приближения внезапных возмущений позволило получить аналитические выражения для расчета спектров переизлучения ультракороткого импульса электромагнитного поля при взаимодействии с отрицательным ионом.

2. Аналитические выражения и результаты расчетов для электронных спектров ионизации отрицательных ионов при взаимодействии с ультракороткими импульсами. На основе полученных выражений исследованы зависимости вероятности ионизации от энергии сродства анионов, а также от количества осцилляций падающего импульса.

3. Проведение сравнения вероятностей переизлучения и ионизации ультракороткого импульса электромагнитного поля при взаимодействии с отрицательным ионом. Сравнение показало, что направленность переизлучения аналогична классической картине излучения диполя, а направление вылета электронов определяется направлением переданного при взаимодействии импульса.

4. Анализ ориентационных эффектов в неупругих процессах взаимодействия ультракоротких импульсов с молекулярными ионами. Выяснено, что спектры переизлучения существенным образом зависят от выстроенностей межядерной оси молекулярных анионов и от типа отрицательного иона. Получено, что переизлучение максимально в случае параллельности напряженности внешнего электрического поля и межядерной оси.

Апробация результатов исследования

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 в рецензируемых журналах. Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу докладывались на семинарах центра теоретической физики и ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов Северного Арктического федерального университета имени М.В. Ломоносова (Архангельск, 2009, 2011, 2012, 2013 гг.); Всероссийской научной конференции студентов-физиков, аспирантов и молодых ученых (Екатеринбург, Волгоград, Архангельск, 2009, 2010, 2013 гг.); XXIV съезде по спектроскопии (Троицк, 2010 г.); XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2009, 2011 г.), а также на XIX международной конференции Фундаментальная атомная спектроскопия (Архангельск, 2009 г.), 8-ой международной конференции по атомной физике (Stored Particles Atomic Physics Research Collaboration, Москва, 2011 г.).

Личный вклад автора в получении представленных в диссертационной работе результатов состоит в том, что им проанализированы публикации по теме исследования, самостоятельно проведены аналитические и численные расчеты. Совместно с научным руководителем были выбраны тема, объект и предмет исследования, на основе разработанных проф. Матвеевым В.И. и доц. Есеевым М.К. оригинальных методов развит метод расчета процесса переизлучения при взаимодействии отрицательного иона с ультракоротким импульсом электромагнитного поля, проведен анализ полученных результатов. В рамках этого метода автором самостоятельно были получены выражения

электронного спектра и вероятности ионизации и спектра переизлучения отрицательного иона при взаимодействии с ультракоротким импульсом.

Структура и объем работы. Общий объем работы составляет 109 страниц. Она включает в себя введение, четыре главы, заключение, библиографию из 72 наименований и содержит 25 рисунков, 2 таблицы и 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, определяются его цель, объект, предмет, раскрываются научная новизна, достоверность и научная значимость полученных результатов, формулируются выносимые на защиту положения.

В первой главе «Обзор методов расчета» осуществлен анализ методов расчета, применяемых для описания процессов рассеяния [3] ультракоротких импульсов. На основе проведенного анализа статей, исследующих процессы взаимодействия ультракороткого импульса с различными мишенями, дан обзор различных подходов к описанию ультракороткого импульса и методов расчета его рассеяния. В диссертационной работе выбираем ультракороткий импульс электромагнитного поля в виде гауссова импульса [4]:

Е(г, 9 = Е, ехр{- ¿Г (* - (к ,г) / в)в )2 ]со8(йу - к ,г), (1)

где а = 1/т - параметр затухания гауссова импульса, шо-частота налетающего ультракороткого импульса, ко - его волновой вектор, Е0 -амплитуда напряженности поля в ультракоротком электромагнитном импульсе. В работе используется атомная система единиц. Пусть данный импульс электромагнитного поля взаимодействует с атомом или ионом. В виду малой продолжительности налетающего импульса - порядка 1 ас, он «встряхивает» ион. Тогда мишени передается импульс, описываемый выражением:

= ]Е(г,№ = (^/«К ехр{— 0)1 /4«2}. (2)

В приближении внезапных возмущений представлена оригинальная методика расчета спектра переизлучения: во-первых, рассчитывается спектр испускания фотона в единицу телесного угла йОк с одновременным переходом атома из начального состояния ср0 в конечное состояние <рп:

d2Wn.

dClkdco (2л)2 с1 a)

(ft,|exp(-ikr„

дУ(ео) Эг

хп

ехр

-i¡V(t')dt'

,(3)

во-вторых, после суммирования парциального спектра (3) по всем конечным состояниям атома <рп находится полный спектр излучения: 1

dQkdco

с1п)2съа

2>xp(-ík(r - г.))

Эг„

ЭУ(<у) II ЭУ* (со) хп . хп

Эг.

В выражении (4) вероятности переизлучения фотона с частотой со в единицу телесного угла

ЭУ (бУ)/Эг = ехр(гк „г со/ со, )/0 (со) (Е0 + ¿(E„r)k Осо/со0) - это Ф}фье-образ силы, которая действует со стороны электромагнитного поля импульса на электрон мишени. Здесь г -координаты электрона мишени, п - единичный вектор, задающий направление вылета переизлученных фотонов,

/0(<о) = Л/(2ог)(ехр{-(<а-й*)2 /(4а2)} + ехр{-(й>+сой)2 /(4а2)}).

Кроме представленных результатов для одноэлектронного водородоподобного атома рассматривается расчет спектра по данной методике для линейной цепочки, составленной из изолированных многоэлектронных атомов.

Во второй главе «Электронные спектры ионизации отрицательных ионов при взаимодействии с аттосекундными импульсами» представлены результаты расчетов вероятности ионизации отрицательных ионов аттосекундными импульсами [2]. Отрицательные атомарные и молекулярные ионы выступают в роли ловушек, связывающих электроны. Заряженность этих комплексов позволяет достаточно легко ими управлять, а слабосвязанность с избыточным электроном дает возможность быстрого его высвобождения. Процессы фотоионизации таких комплексов вызывают большой интерес [5], в том числе и при взаимодействии с ультракороткими импульсами [6].

Вероятность вылета внешнего слабосвязанного электрона в рамках используемого нами приближения с импульсом q в единицу телесного угла определяется:

dX.(q,qB)

dadq

4V.

(5)

где переданный импульс q£ определяется выражением (2). Волновая функция электрона в непрерывном спектре в поле потенциала нулевого радиуса в виде

р^^У^е*-е«Ч(г(у + ц)). (6)

Волновая функция аниона в приближении потенциала нулевого радиуса

[7]:

<ра=4УЩеЧг, (7)

где у = -421, I — энергия электронного сродства соответствующего аниона. Подставим волновые функции (6) и (7) в выражение для вероятности (5) и получим спектр вылетевших электронов при. ионизации:

¿О. йц ж1

1 1

- arctg -

(8)

у чЛг + ч) У-Ц

После интегрирования выражения (8) по углам вылета ионизованных электронов получим полный спектр ионизации. Вероятность отрыва электрона от атомарного отрицательного иона зависит не только от энергии сродства, но и от величины переданного иону импульса. Для анионов с меньшей энергией сродства вероятность отрыва внешнего слабосвязанного электрона выше.

Применяемый в наших расчетах метод потенциалов нулевого радиуса хорошо описывает частицу на далеком расстоянии от атома. На малых расстояниях обычно применяют метод потенциалов конечного радиуса. В работе ["] получено выражение, определяющее вероятность ионизации отрицательного иона в приближении потенциалов нулевого радиуса

^ = 1 - (4 Уг!ч\) агсс1^ {2Г/Че ) (9)

и вероятность ионизации отрицательного иона в приближении потенциалов конечного радиуса

4 г2 В* Ж = 1 - 7

.^^^ЛР Че

агс— + агс--2агс/£

Че ЧЕ Р + Г.

(10)

4Р{Р + у)

где В = ———-—, а /? и у - параметры волновой функции. Проведенное

сравнение (рис. 1) полученных результатов вероятностей (9) и (10) показывает, что в приближении потенциала конечного радиуса

вероятность отрыва внешнего электрона выше при соответствующих значениях переданного импульса. На рис. 1 зависимость вероятности ионизации от переданного импульса построена для аниона водорода /Г. Видно, что вероятность ионизации, рассчитанная в приближении потенциалов конечного радиуса, Ж/, имеет, в общем, такой же характер зависимости, как и вероятность ионизации IV.т, рассчитанная в приближении потенциалов нулевого радиуса, в области больших и очень малых переданных импульсов. В промежуточной области переданных импульсов заметны существенные различия в расчетах по двум моделям, вызванные различием подходов к описанию отрицательного иона. В приближении потенциалов конечного радиуса дополнительный вклад в вероятность ионизации вносит учет при интегрировании области пространства, в которой внешний электрон может подходить достаточно близко к силовому центру.

Рис. 1. Сравнение вероятности ионнзации в приближении потенциала конечного радиуса (штриховая линия) с вероятностью ионизации в приближении

потенциалов нулевого радиуса (сплошная линия).

в третьей главе «Спектр переизлучения отрицательного иона при взаимодействии с ультракоротким импульсом» представлены расчеты спектров переизлучения ультракоротких импульсов электромагнитного поля при взаимодействии с отрицательными ионами [9,'°]. В результате действия сверхсильного электромагнитного поля импульса электронная система переизлучает фотоны с волновым вектором к. Вероятность того, что испускается фотон заданной частоты со в единицу телесного угла Як с одновременным переходом одноэлектронной системы из основного состояния \<р0) во все возможные конечные состояния определяется в приближении внезапных возмущений. После интегрирования по всем углам вылета фотона, получим полный спектр переизлучения:

сПУ _ 2 Е1 йа> Ъж съа

(П)

Приведем сравнение спектров переизлучения и ионизации (рис.2). При направлении напряженности Е0 электрического поля ультракороткого импульса вдоль оси Ъ, переизлучение идет в основном в направлении, перпендикулярном Е0. Слабосвязанный электрон в отрицательном ионе в поле налетающего импульса осциллирует, поэтому переизлучение аналогично картине излучения классического диполя. Процесс ионизации происходит в направлении, параллельном Е0, то есть направление вылета электронов определяется направлением переданного при взаимодействии импульса

Рис. 2. Зависимость полного спектра переизлучения и ионизации от угла вылета частицы. Сплошная линия - для спектра переизлучения фотона. Штрихпунктирная линия - для спектра вылета электрона при импульсе вылетевшего электрона д = 0.0003 а. е. Штриховая линия - для спектра вылета электрона при импульсе вылетевшего электрона q = 0.003 а.е.

Также исследованы зависимости вероятности переизлучения для различных частот в рассеянном импульсе от количества осцилляции N = со0/(2па) в падающем импульсе. Сделан вывод, что с ростом N спектр переизлучения (11) эффективно сужается. Вероятность переизлучения несущей частоты со0 при этом увеличивается, а излучение на других частотах с ростом числа осцилляции сначала возрастает, а затем уменьшается.

В четвертой главе «Ориентационные эффекты в неупругих процессах взаимодействия ультракоротких импульсов с молекулярными ионами» представлены расчеты спектров переизлучения ультракоротких импульсов при взаимодействии с молекулярными ионами [''3"9]. Рассмотрим процессы перерассеяния поля ультракороткого импульса двуцентровой мишенью - молекулярным анионом. Для описания

электрона молекулярного отрицательного иона используем волновую функцию двуцентровой системы в приближении потенциала нулевого радиуса:

и.г \ / и,:

! 1*1 е ч К г н— -'И Те 1 2|/ И г--

2 2

(12)

где радиус-вектор г определяет положение слабосвязанного электрона относительно центра масс системы, вектор К - положение одного центра двухатомного аниона относительно другого. Нормировочная константа С„г и знаки + в (12) соответствуют антисимметричному или симметричному состоянию молекулярного иона. Полный спектр переизлучения при фиксированном направлении ориентации оси иона после интегрирования по всем углам вылета фотона выражается:

сИУ^ _ 2Е1 [/»Г „

х 1 + е"

йсо Ъпс'со (1 + е 1 Г

соэ

,(13)

где /дг - интегралы перекрытия вычислены в эллиптических координатах и равны 11=е~уК( 1 + уй)/6у2, /2 =е~у К(2 + уЕ(2 + уЯ))/Пу2. Отметим, что спектр (13) зависит от К - расстояния между центрами двухатомного аниона и ориентации межядерной оси относительно напряженности поля Е0, описываемой углом вЯЕ между векторами Е0 и К. Для различных молекулярных ионов на рис. 3 представлена зависимость вероятности переизлучения (13) от угла выстроенности. Вероятность переизлучения молекулярным ионом больше тогда, когда вектор напряженности электрического поля сонаправлен оси молекулярного иона.

<ftV.de>. отя.ед.

Рис. 3. Зависимость вероятности переизлучения от угла выстроенности. Сплошная линия -12~, штрихпунктирная линия - Вг2~, штриховая линия - С12~, точечная линия

Соответственно, наименьшая вероятность переизлучения соответствует их перпендикулярному расположению. Полученный вывод поможет контролировать степень выстроенности и облегчит управление отрицательными ионами в различных технических приложениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные выводы работы состоят в следующем:

1. Проведен обзор результатов и методов расчета рассеяния ультракоротких импульсов на различных объектах. В частности, в работе приводится обзор различных форм ультракороткого импульса, а также различные мишени и различные методы расчета.

2. Получены аналитические выражения для электронных спектров ионизации отрицательного иона при взаимодействии с ультракоротким импульсом. С большей вероятностью отрывается слабосвязанный с атомом электрон с импульсом, сравнимым по величине с переданным: импульсом.

3. Выполнено вычисление вероятности ионизации с помощью различных подходов к описанию отрицательных ионов. Получено, что вероятность ионизации, рассчитанная в приближении потенциалов, конечного радиуса, имеет, в общем, такой же характер зависимости, как и вероятность ионизации, рассчитанная в приближении потенциалов нулевого радиуса, в области больших и малых переданных импульсов.

4. Проведено исследование зависимости вероятности ионизации отрицательного иона от числа осцилляций падающего импульса электромагнитного поля. Выявлено, что вероятность ионизации сначала растет, а затем падает при уменьшении переданного отрицательному иону импульса.

5. Рассчитаны спектры перензлучения атомарных и молекулярных отрицательных ионов при взаимодействии с ультракоротким импульсом. Получено, что вероятнее переизлучается фотон такой же частоты, как и у налетающего импульса. Вероятность переизлучения фотона с частотой, равной частоте переданного импульса, увеличивается с ростом числа осцилляций падающего импульса электромагнитного поля. Зависимость спектров переизлучения от энергии связи поможет в уточнении энергии электронного сродства для отрицательных ионов.

[3J Юлкова, В. М. Взаимодействие аттосекундного импульса с отрицательными атомарными и молекулярными ионами / М. К. Есеев, В. И. Матвеев, В. М. Юлкова // Журнал технической физики. Т. 82, № 11. - 2012. - С. 130- 132. (0,19 п.л./0,08 п.л.)

[4] Юлкова, В. М. Динамические критерии корректности аналитических волновых функций двухэлектронных систем в столкновениях / М. К. Есеев, Н.В. Абикулова, В.М. Юлкова, Д.А. Тюкин // Труды ХП-ой научной конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ. - Дубна, 2008. - С. 118-121. (0,18 п.л./0,09 п.л.)

[5] Юлкова, В. М. Взаимодействие молекулярного иона водорода с: ультракоротким импульсом электромагнитного поля / В.М. Юлкова, М.К. Есеев // Труды конференции ФАС XIX. - Архангельск, 2009. -С.109-111. (0,17 п.л./0,1 п.л.)

[6] Юлкова, В. М.Взаимодействие ультракороткого импульса с молекулярным ионом водорода/ В.М. Юлкова, М.К. Есеев //Материалы 15 Всероссийской научной конференция студентов-физиков и молодых ученых, информационный бюллетень. - Кемерово, Томск: Изд-во АСФ России. Т.1. -2009. - С. 398-399. (0,11 п.л./0,07 п.л.)

[7] Юлкова, В. М. Взаимодействие ультракороткого импульса с молекулой водорода//Материалы 16 Всероссийской научной конференция студентов-физиков и молодых ученых, информационный бюллетень. - Екатеринбург, Волгоград: Изд-во АСФ России. Т.1. -2010. С. 365-366. ( 0,11 п.л./0,11 пл.)

[8] Юлкова, В. М. Ориентационные эффекты при взаимодействии молекулы водорода и антипротонного гелия с ультракороткими импульсами электромагнитного поля / М.К. Есеев, В.И. Матвеев, В.М. Юлкова // Труды XXIV-ro Съезда по спектроскопии. Т. 1. - Троицк: «Тровант», 2010. С.138-139. (0,12 п.л./0,6 п.л.)

[9] Юлкова, В. М. Перерассеяние ультракороткого импульса на атомарных и молекулярных отрицательных ионах // Материалы XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» [Электронный ресурс] — М.: Издательство МГУ, 2011. С. 34-35. URL: http://www.lomonosov-

msu.ru/archive/Lomonosov_2011/structure_27_1299.htm [дата обращения 01.04.2013] ( 0,115 п.л./0,115 пл.)

[,0] Ulkova, V. The interaction of attosecond pulse with a negative atomic and molecular ions / M. Eseev, V. Matveev, V. Ulkova // 8 International Topical SPARC Workshop and SPARC Lecture Days. - M., 2011 - P. 83. (0,06 п.л./0,02 п.л.)

["] ЮлковаВ. M. Вероятность отрыва электрона в процессе взаимодействия отрицательного иона с ультракоротким импульсом/ В.М. Юлкова, М.К. Есеев // Материалы Девятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. Т.1. -Екатеринбург-Архангельск: Изд-во АСФ России.— 2013. - С. 77-78. (0,11 пл./0,09 пл.)

Список цитированной литературы

[1]Крюков, П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов // Квантовая электроника. Т. 31, № 2. - 2001. — С. 95-119.

[2]Krausz, F. Attosecond physics / F. Krausz, M. Ivanov // Reviews of Modern Physics. V. 81.-2009,-P. 163-234.

[3]Астапенко, B.A. Рассеяние ультракороткого импульса электромагнитного излучения на атоме в широком спектральном диапазоне // Журнал экспериментальной и теоретической физики. Т. 13 9, вып. 2. - 2011. - С. 228-234.

[4]Матвеев, В.И. Излучение и электронные переходы при взаимодействии атома с ультракоротким импульсом электромагнитного поля // Журнал экспериментальной и теоретической физики. Т.124, вып. 5(11). - 2003,- С. 1023-1029.

[5]Иванов, В.К. Резонансы в сечении фотоотрыва 2р-электронов от отрицательного иона Na" / B.K. Иванов, П.И. Яцышин // Журнал технической физики. Т. 79, вып.1. - 2009. - С. 10-15.

[6]Головинский, П.А. Отрыв электронов от отрицательных ионов водорода и лития ультракоротким лазерным импульсом / П.А. Головинский, A.A. Дробышев // Журнал технической физики. Т. 83, вып.2. - 2013. - С. 8-14.

[7]Демков, Ю.Н. Метод потенциалов нулевого радиуса в атомной физике /КХН.Демков, В.Н. Островский // Изд. Ленинградского университета, Ленинград. -1975. - 240 с.

Подписано в печать 21.05.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1585.

Издательско-полиграфический центр им. В.Н. Булатова ФГАОУ ВПО САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Юлкова, Виктория Михайловна, Архангельск

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени

М.В .Ломоносова»

На правах рукописи

042013^0^54

Юлкова Виктория Михайловна

«Исследование ориентационных эффектов при взаимодействии отрицательных ионов с ультракороткими импульсами электромагнитного

поля»

Специальность: 01.04.02. - теоретическая физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель кандидат физико-математических наук, доцент М.К. Есеев

Архангельск 2013

Оглавление

Введение..................................................................................................4

Глава 1 Обзор методов расчета........................................................11

1.1 Ультракороткие импульсы....................................................................11

1.2 Переизлучение ультракороткого импульса атомом............................18

1.3 Рассеяние сверхкоротких лазерных импульсов..................................26

1.4 Рассеяния ультракороткого импульса на свободном электроне.......34

1.5 Выводы к главе.......................................................................................37

Глава 2 Электронные спектры ионизации отрицательных ионов при взаимодействии с аттосекундными импульсами.....38

2.1 Отрицательные ионы и модель потенциалов нулевого радиуса.......38

2.2 Расчет электронных спектров ионизации............................................44

2.3 Расчет вероятности ионизации отрицательного иона........................51

2.3 Сравнение вероятности ионизации в приближении потенциалов нулевого радиуса с вероятностью ионизации в приближении

потенциалов конечного радиуса.................................................................56

2.5 Выводы к главе.......................................................................................60

Глава 3 Спектр переизлучения отрицательного иона при взаимодействии с ультракоротким импульсом............................62

3.1 Расчет полного спектра излучения отрицательного иона..................62

3.2 Расчет диаграмм направленности.........................................................66

3.3 Сравнение спектра переизлучения и спектра ионизации...................69

3.4 Сравнение спектров переизлучения отрицательного иона и водородоподобного атома............................................................................70

3.5 Выводы к главе.......................................................................................71

Глава 4 Ориентационные эффекты в неупругих процессах взаимодействия ультракоротких импульсов с молекулярными ионами...................................................................................................73

4.1 Ориентационные эффекты при взаимодействии положительного

молекулярного иона водорода с ультракоротким импульсом.................75

4.2 Расчет переизлучения молекулярного отрицательного иона при взаимодействии с ультракоротким импульсом.........................................78

4.3 Сравнение спектров переизлучения.....................................................85

4.4 Выводы к главе.......................................................................................87

Заключение...........................................................................................89

Приложение А......................................................................................91

Приложение В......................................................................................93

Приложение С......................................................................................97

Приложение Б......................................................................................98

Приложение Е....................................................................................100

Литература..........................................................................................102

1 7

в отрицательном ионе существенно превышает таковое для атомов (т~10* с), но не превышает длительность ультракороткого импульса (г~10"18с). Малая продолжительность такого импульса позволяет использовать приближение внезапных возмущений. В рамках данного приближения в работе рассмотрены процессы переизлучения и ионизации ультракороткого импульса электромагнитного поля при взаимодействии с анионом. Для описания отрицательного иона применялся метод потенциалов нулевого радиуса. Данная работа посвящена теоретическому исследованию ориентационной зависимости

спектров переизлучения и определения вероятности ионизации отрицательных ионов при взаимодействии с ультракороткими импульсами электромагнитного поля.

Работа поддержана ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по соглашению № 14.А18.21.1302.

Объектами исследования являются ультракороткие импульсы электромагнитного поля и отрицательные ионы, а предметом исследования -процессы переизлучения и ионизации при взаимодействии ультракороткого импульса с отрицательным ионом.

Основные положения, выносимые на защиту:

Апробация результатов исследования

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 в рецензируемых журналах из списка ВАК. Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу докладывались на семинарах центра теоретической физики и ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов Северного Арктического федерального университета имени М.В. Ломоносова (Архангельск, 2009, 2011, 2012, 2013 гг.); Всероссийской научной конференции студентов-физиков, аспирантов и молодых ученых (Екатеринбург, Волгоград, Архангельск, 2009, 2010, 2013 гг.); XXIV съезде по спектроскопии (Троицк, 2010 г.); XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2009, 2011 г.),

а также на XIX международной конференции Фундаментальная атомная спектроскопия (Архангельск, 2009 г.), 8-ой международной конференции по атомной физике (Stored Particles Atomic Physics Research Collaboration, Москва, 2011 г.).

Основные результаты диссертационного исследования отражены в следующих публикациях:

1. Юлкова, В. М. Перерассеяние ультракороткого импульса на атомарных и молекулярных анионах в модели потенциалов нулевого радиуса / М. К. Есеев, В. И. Матвеев, В. М. Юлкова // Оптика и спектроскопия. Т. 111, №3.-2011. - С. 360-363. (0,25 п.л./0,11 п.л.)

2. Юлкова, В. М. Электронные спектры ионизации отрицательных ионов аттосекундными импульсами электромагнитного поля / М. К. Есеев, В. И. Матвеев, В. М. Юлкова // Вестник Поморского университета. Серия. Естественные и точные науки. № 3. - 2011. - С. 90-94. (0,52 п.л./0,36 п.л.)

3. Юлкова, В. М. Взаимодействие аттосекундного импульса. с отрицательными атомарными и молекулярными ионами / М. К. Есеев, В. И. Матвеев, В. М. Юлкова // Журнал технической физики. Т. 82, №11. - 2012. - С. 130- 132. (0,19 п.л./0,08 п.л.)

4. Юлкова, В. М. Динамические критерии корректности аналитических волновых функций двухэлектронных систем в столкновениях / М. К. Есеев, Н.В. Абикулова, В.М. Юлкова, Д.А. Тюкин // Труды ХП-ой научной конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ. - Дубна, 2008. - С. 118-121. (0,18 п.л./0,09 п.л.)

5. Юлкова, В. М. Взаимодействие молекулярного иона водорода с ультракоротким импульсом электромагнитного поля / В.М. Юлкова, М.К. Есеев // Труды конференции ФАС XIX. - Архангельск, 2009. -С.109-111. (0,17 п.л./0,1 п.л.)

6. Юлкова, В. М.Взаимодействие ультракороткого импульса с молекулярным ионом водорода / В.М. Юлкова, М.К. Есеев // Материалы 15 Всероссийской научной конференция студентов-физиков и молодых ученых, информационный бюллетень. - Кемерово, Томск: Изд-во АСФ России. Т.1.-2009. - С. 398-399. (0,11 п.л./0,07 п.л.)

7. Юлкова, В. М. Взаимодействие ультракороткого импульса с молекулой водорода//Материалы 16 Всероссийской научной конференция студентов-физиков и молодых ученых, информационный бюллетень. -Екатеринбург, Волгоград: Изд-во АСФ России. Т.1. -2010. С. 365-366. ( 0,11 п.л./0,11 п.л.)

8. Юлкова, В. М. Ориентационные эффекты при взаимодействии молекулы водорода и антипротонного гелия с ультракороткими импульсами электромагнитного поля / М.К. Есеев, В.И. Матвеев, В.М. Юлкова //Труды XXIV-ro Съезда по спектроскопии. Т.1. - Троицк: «Тровант», 2010. С.138-139. (0,12 п.л./0,6 п.л.)

9. Юлкова, В. М. Перерассеяние ультракороткого импульса на атомарных и молекулярных отрицательных ионах // Материалы XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» [Электронный ресурс] — М.: Издательство МГУ, 2011. С. 34-35. URL: http://www.lomonosov-

msu.ru/archive/Lomonosov_201 l/structure_27_1299.htm [дата обращения 01.04.2013] ( ОД 15 п.л./ОД 15 п.л.)

10.Ulkova, V. The interaction of attosecond pulse with a negative atomic and molecular ions / M. Eseev, V. Matveev, V. Ulkova // 8 International Topical SPARC Workshop and SPARC Lecture Days. - M., 2011 - P. 83. (0,06 п.л./0,02 п.л.)

11. Юлкова, В. М. Вероятность отрыва электрона в процессе взаимодействия отрицательного иона с ультракоротким импульсом / В.М. Юлкова, М.К. Есеев // Материалы Девятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. Т. 1. - Екатеринбург-Архангельск: Изд-во АСФ России.— 2013. - С. 77-78. (0,11 п.л./0,09 п.л.) Структура и объем работы. Общий объем работы составляет 109

страниц. Она включает в себя введение, четыре главы, заключение, библиографию из 72 наименований и содержит 25 рисунков, 2 таблицы и 5 приложений.

Глава 1 Обзор методов расчета

В последнее время изучаются процессы, которые сопровождают взаимодействие вещества с ультракороткими импульсами электромагнитного поля. К таким процессам относятся ионизация мишени и переизлучение падающего импульса. Изучение этих процессов имеет важное как теоретическое, так и прикладное значение в современной физике. Под ультракоротким импульсом в данной работе понимается импульс, длительность которого меньше характерного периода времени движения электрона для мишени. Напряженность электрического поля в таком импульсе сопоставима с внутриатомным полем (~109В/см) или превосходит его. В этой главе представлен обзор статей по генерации и применению лазеров ультракоротких импульсов, а также рассматриваются основные методы, которые применяются для описания взаимодействия вещества с ультракоротким импульсом электромагнитного поля. К таким методам относятся: приближение внезапных возмущений; преобразование вейвлета Майера; приближение, учитывающее возбуждение мишени после ее взаимодействия с ультракоротким импульсом, и классический подход к описанию рассеяния импульса. На основе вышеуказанных методов будут получены выражения, позволяющие рассчитать спектры переизлучения фотона мишенью и отрыва внешнего электрона.

1.1 Ультракороткие импульсы

В последнее время широко исследуются ультракороткие импульсы, так как они дают возможность изучать явления микромира. То есть с их помощью можно исследовать динамику атомной системы, а также управлять ею [1-5]. Как известно, такие процессы происходят за времена десятков фемтосекунд и менее. Действие ультракороткого импульса на

атомы носит встряскообразный характер и не осложнено длительным процессом временной эволюции и перестройки атомных состояний. Актуальность научных исследований с применением ультракоротких импульсов подтверждается тем, что были присуждены нобелевские премии: А. Зевайлу за результаты исследований в области фемтохимии в 1999 г., Дж. Холлу и Т. Хэншу за разработку пр�