Исследование спектров тяжелых многозарядных элементов с заполняющейся d-оболочкой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.

§ 1.

§ 1.

§ 1.

§ 1.4 1.

ГЛАВА 2.

МЕТОДИКИ РЕГИСТРАЦИИ, ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА СПЕКТРОВ. Источники возбуждения спектров. Спектроскопическая аппаратура. Методика обработки спектрограмм. Методы анализа спектров. . 1 Экспериментальное выделение линий различной кратности ионизации. .2 Методика полузмпирической экстраполяции. 3 Процесс идентификации спектров. СПЕКТРЫ ИОНОВ С ОСНОВНЫМ СОСТОЯНИЕМ 4с19.

§2.1 О некоторых свойствах спектра излучения перехода 4с19-4с184£ в изоэлек-троннной последовательности родия.

§ 2.2 Исследование спектров ионов Сс11У,

БЬУИ, ТеУШ.

ГЛАВА 3. СПЕКТРЫ ИОНОВ ГРУППЫ ПЛАТИНЫ С ОСНОВНЫМ СОСТОЯНИЕМ 5с12.

§ 3.1 Основные особенности спектров ионов последовательности УЫ.

§ 3.2 Исследование спектров ионов Та1У,

Ш, ОэУИ, 1гУШ.

3.2.1 Конфигурации 5с15£ и 5d7p в Та1У и Ш.

3.2.2 Конфигурация 5<15£ в ОэУИ,

1гУШ.

§ 3.3 Анализ переходов 5с12- (5с16р+5с15£) в Т?ЫХ.

§ 3.4 Анализ переходов 5<12-(5dбp+5d5f^-5p55d3) в АиХ и НдХ1.

Спектроскопия высокоионизованных атомов начала развиваться в конце 1920-х - начале 1930-х годов, когда многие физики усиленно занялись изучением спектров ионов для подтверждения принципов квантовой механики и новых теорий в атомной физике. Одним из основоположников спектроскопии многозарядных ионов можно по праву считать профессора Лундского университета (Швеция) Б. Эдлена. В своей статье "Атомные спектры" для "Encyclopedia of physics" [1] он обобщил имеющиеся спектральные данные в области спектроскопии многозарядных ионов, дал подробную характеристику спектральных линий, описал регулярности в различных атомных системах и связи между изоэлектронными системами, упорядочил эмпирические данные в форме, удобной для- теоретиков и тем самым снабдил экспериментаторов обобщёнными теоретическими результатами и эффективными методами для анализа и описания спектров ионов.

Новый этап работ в области спектроскопии многозарядных ионов начался в 1960-х годах. Толчком послужило получение спектра Солнца с борта космической ракеты в недоступной для наземных наблюдений вакуумной ультрафиолетовой области. Оказалось, что зарегистрированные спектры нельзя объяснить с помощью имевшихся таблиц спектральных линий и уровней энергии. Необходимость понимания природы этого излучения, определяющего свойства солнечной короны, явилась сильным стимулом к широкому развёртыванию работ по классификации спектральных линий высокоионизованных атомов . Ещё одним стимулом явилось развитие работ по управляемому термоядерному синтезу, для которых требуется спектральная диагностика высокотемпературной плазмы. В последние годы добавилась ещё одна широкая область для приложения спектроскопии высокоионизиро-ванных атомов - создание лазеров в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.

Зарегистрированные несколько лет назад с использованием космического телескопа Space Hubble Telescope ВУФ спектры химически особенных звёзд инициировали ускорение работ по анализу спектров ионов тяжелых элементов группы платины. В настоящее время исследования в области спектроскопии высокоионизованных атомов ведётся широким фронтом и охватывает спектры от нейтральных до водородоподобных атомов как лёгких,-так и тяжёлых элементов.

Достаточно хорошо на протяжённых изоэлектронных последовательностях экспериментально изучены относительно простые ионы, содержащие заполняющиеся электронные оболочки п=1,2 и 3s, Зр[2-6]. Проведён подробный критический анализ экспериментального материала, позволивший обеспечить высокую надёжность спектроскопических данных для переходов п=2---п=2. Теоретически предсказано поведение уровней оболочки п=2 для ионов с зарядом ядра до z=100[7], то есть практически для всех возможных ионов соответствующих последовательностей.

За последние годы группой ученых отдела атомной спектроскопии нашего института под руководством д.ф.м.н. , Рябцева А.Н. были экспериментально изучены сложные спектры ионов, имеющих Зс1-электроны на заполняющейся оболочке п=3 на протяжённых изоэлектронных последовательностях[8-32]. Были получены достоверные данные о длинах волн и уровнях энергии для большого числа ионов изоэлектронных последовательностей меди, никеля, кобальта, железа, калия и скандия. Благодаря изучению протяжённых изоэлектронных последовательностей найдены некоторые специфические закономерности в поведении уровней ионов с Зс1-злектронами во внешних оболочках. В частности, показано, что наличие конфигурации 3р53с1к+1 является одним из основных факторов, влияющих на структуру спектров ионов с основным состоянием Зс1к. Изменение положения этой конфигурации относительно конфигураций Зс^п! приводит к нарушению изоэлектронных закономерностей в положениях уровней и интенсивностях переходов, делает, невозможным использование экстраполяции для идентификации спектра, а также приводит к несостоятельности любого одноконфи-гурационного расчёта. Была разработана методика идентификации спектров путём использования регулярности отношений полуэмпирических к хартри-ф'оковским параметров вдоль изоэлектронных последовательностей. Опыт этой работы был положен в основу исследования сложных ионов с 4с1-электронами во внешних оболочках".

Работа по изучению, сложных спектров ионов с 4d-электронами в основном состоянии ведётся уже на протяжении 20 лет. Первоначально были исследованы резонансные переходы и- переходы между первыми возбуждёнными конфигурациями 4d - 4dk15p и 4dk-15s - 4dk-15p в изоэлектронных последовательностях Pdl, Rhl, Rui от серебра до ксенона[33-60]. В последующие годы было продолжено изучение последовательности RhI[61-67]. Особое внимание уделялось переходам между конфигурациями 4d9-(4d84f + 4d86p) [68-72] . Автор данной диссертации провёл детальный анализ этих переходов в ионах кадмия, олова, сурьмы и теллура. Несмотря на долгую и кропотливую работу, которая ведётся в этой области, до сих пор остаётся немало неизученных до конца элементов.

Работа . по изучению сложных спектров ионов с 5d-электронами в основном состоянии также ведётся очень давно. Но, несмотря на это, в достаточной мере хорошо изучены только ионы с основными состояниями 5d8 и 5d9 вдоль изоэлектронных последовательностей Osl и Irl для элементов от платины до висмута. В этих последовательностях подробно были изучены переходы (5d8 + 5d76s) - 5d76p в PtlII - BiVIII и (5d9 + 5d86s) - 5d86p в Ptll - BiVII, а также (5d9 + 5d86s) - [5d8 (5.f+6f+7p) + 5d76s6p] в TlV[73-99]. В настоящее время в лаборатории атомной спектроскопии в сотрудничестве с зарубежными коллегами активно ведётся работа в этой области. Автором диссертации исследовались ионы с основным состоянием 5с12 [100 — 107] , причём основное внимание уделялось переходам 5с12 - 5с15Г, ввиду особого поведения конфигурации 5с15:£, вдоль изоэлектронной последовательности от тантала до ртути. -Подробно об этом будет изложено в главе 3, посвященной результатам изучения этой последовательности.

Слабая изученность ионов с 4<1 и 5с1-электронами в основном состоянии определяется следующими причинами. Число уровней в возбуждённых конфигурациях имеет порядка десятков и сотен, что приводит к спектру переходов между двумя конфигурациями из нескольких сотен спектральных линий в весьма узкой спектральной области. Ситуация осложняется тем, что соседние ионы с с1-оболочкой имеют мало отличающийся потенциал ионизации и, поэтому даже в условиях равновесия при установившейся электронной температуре, в плазме существует одновременно несколько ионов. Поскольку обычно используемые источники возбуждения спектров, искровые разряды различных типов, нестационарны, число одновременно присутствующих ионов разной кратности ещё более увеличивается. Поэтому спектрограммы в ВУФ области содержат, как правило, несколько тысяч спектральных линий, причём спектральные области линий различных ионов перекрываются. Для успешного анализа таких переходов необходима спектральная аппаратура с высоким разрешением в вакуумной ультрафиолетовой области спектра, система для точного измерения и обработки спектрограмм, а также надёжные методы теоретических расчётов.

Следующей причиной, как и в Зс1-спектрах является влияние конфигурации- с возбуждением внутреннего электрона, в данном случае: 4р54с1к+1, 5р55с1к+1. Энергия возбуждения этой конфигурации вдоль последовательности растёт пропорционально заряду атомного остатка, в то время как у других конфигураций - квадратично заряду. Поэтому вдоль последовательности изменяется относительное положение этих конфигураций, её средняя энергия "опускается" от положения вблизи границы ионизации в начале изоэлектронной последовательности до энергий первых возбуждённых конфигураций. В ионах кратности около 14 конфигурации типа пр5пс1к+1 становятся резонансными (рис.1). Кроме того, аналогично ведут себя конфигурации 4с1к-14£ и 5с1к-15:1:. Поэтому при продвижении, вдоль последовательности происходит пересечение конфигураций и их взаимодействие, нарушающее гладкость изоэлектронного поведения уровней и приводящее к полной несостоятельности одноконфигурацион-ного теоретического расчёта.

Данная диссертация посвящена экспериментальному изучению ионов с основными состояниями -4с19 и 5с12. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и приложений.