Радиационные и оже-распады многозарядных высоковозбужденных ионов

Кочура, Наталья Олеговна

Радиационные и оже-распады многозарядных высоковозбужденных ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Кочура, Наталья Олеговна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Радиационные и оже-распады многозарядных высоковозбужденных ионов»

Автореферат диссертации на тему "Радиационные и оже-распады многозарядных высоковозбужденных ионов"

На правах рукописи

Кочура Наталья Олеговна

РАДИАЦИОННЫЕ И ОЖЕ-РАСПАДЫ МНОГОЗАРЯДНЫХ ВЫСОКОВОЗБУЖДЕННЫХ ИОНОВ

Специальность 01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

□034Б42ББ

Санкт-Петербург - 2009

003464266

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Иванов Вадим Константинович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Шейнерман Сергей Абрамович

доктор физико-математических наук, профессор

Беляев Андрей Константинович

Ведущая организация:

Физико-технический А.Ф.Иоффе РАН

институт имени

Защита состоится ЖДуТ/Я- 2009г. в 16:00

диссертационного совета Д 212.229.29 при ГОУ ВПО государственный политехнический университет" по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, корп. 2, ауд. 265.

часов на заседании 'Санкт-Петербургский

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан '

2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.29 кандидат физико-математических наук,

Ермакова Н.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Исследования процессов распада возбужденных состояний атомов и молекул, находящихся в твердых телах или газообразных средах дает ценную информацию о внутреннем строении этих объектов. Изучение спектров рентгеновского излучения и Оже-электронов является мощным инструментом исследования структуры и процессов возбуждения конденсированных сред и, поэтому рентгеновская и Оже-спектроскопия в настоящее время широко используются физиками и другими исследователями в фундаментальных и практических целях.

Изучение радиационных и Оже-спектров позволяют получать важные данные о межатомных взаимодействиях, осуществлять химический анализ газа, определять элементарный состав поверхностных слоев атмосфер и твердых тел. Кроме того, особый интерес представляют спектры Оже-электронов и радиационные спектры, экспериментально полученные со спутников, так как они служат основными источниками информации об удаленных космических объектах, недоступных прямым исследованиям средствами современной космонавтики. В настоящее время осуществляются наблюдения небесных объектов в широком диапазоне электромагнитного излучения, начиная от радиоволнового диапазона и заканчивая самыми энергичными фотонами, энергия которых достигает величины 101бэВ.

В частности, в последние годы обнаружено, что кометы являются сильным источником излучения в рентгеновском и жестком ультрафиолетовом диапазоне длин волн (к = 0.01 10 им) [1-7]. Открытие в 1997 году высокой светимости (~ 109 W) кометы Хиякутаке (Hyakutake) в рентгеновском и жестком ультрафиолетовом диапазоне было неожиданным, поскольку было хорошо известно, что кометы холодные объекты. Дальнейшие исследования спектров других комет показали, что излучение высокоэнергичных квантов является, по-видимому, характерным для всех активных комет [2-4]. В настоящее время известно более двадцати комет, которые являются эффективными источниками рентгеновского излучения.

Наблюдения кометы С/1999 S4 (LINEAR) с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории Чандра (Chandra) в 2000 году позволили зафиксировать рентгеновское излучение ионов кислорода и азота. Детальные исследования спектров показали, что этой рентгеновское излучение возникает при столкновениях ионов из солнечного ветра с газом кометы. Солнечный ветер представляет собой поток атомов и ионов, основную часть которого составляют водород (92% от общего объема) и гелий (8%), а тяжелые элементы (-0.1%) представлены многозарядными ионами углерода, азота и кислорода, имеющими

пс более двух электронов в основном состоянии. При достижении атмосферы кометы, состоящей из смеси газообразных Н2О, СО, СН4, Н2СО, КН3 и пыли [3], солнечный ветер значительно снижает свою скорость за счет столкновений, образуя в ближнем к ядру слое "зону застоя", и которой столкновения частиц ветра и атмосферного газа довольно часты. Максимум светимости п рентгеновском диапазоне приходится именно на эту область кометы. Таким образом, из всех существующих механизмов образования рентгеновских у-квантов, наиболее вероятным является процесс распада возбужденных состояний многозарядных ионов, образующихся в результате перезарядки между пролетающими ионами солнечного ветра и нейтральными атомами и молекулами атмосферного газа кометы.

При низких энергиях столкновения в системе "ион-атом" сопровождаются двухэлсктронным захватом, основной причиной которого является процесс перезарядки между многократными ионами солнечного ветра и нейтральными атомами и молекулами атмосферного газа планет и комет. При перезарядке налетающий многозарядный ион "обдирает" один или два электрона с нейтрального атома-мишени или молекулы-мишени [4,5], что приводит к одноэлектронному или двухэлектрониому захвату. Одноэлектронный захват при перезарядке ионов и распад получаемых возбужденных состояний изучен достаточно хорошо [8, 9], а исследований двухэлектронного захвата проводилось намного меньше. Поэтому особый интерес изучения представляет именно двухэлектронный захват и распад соответствующих состояний в силу малой изученности. Теоретический анализ процессов распада двухэлекгронных состояний, наряду с распадом одноэлсктронных возбуждений, позволяет проанализировать спектры излучения комет, получить информацию о распределении плазмы солнечного ветра и нейтрального газа в отдаленных слоях солнечной системы.

Двухэлектронный захват с наибольшей вероятностью происходит на высоковозбужденные уровни, которые впоследствии претерпевают радиационный распад возбужденного состояния со стабилизацией обоих электронов на ионе или Оже-распад с отрывом одного из электронов. Однако на спутниках измеряются каналы как Оже-распада, так и радиационного распада. Двухэлсктронные возбуждения распадаются в основном за счет Оже-процесса [10], вероятность которого более чем на 3 порядка превышает вероятность радиационного распада.

Диссертация ¡¡освящена определению и анализу спектров радиационного и Оже-распадов дважды возбужденных состояний различных ионов кислорода, углерода и азота. Ионы этих элементов присутствуют в солнечном ветре и атмосферах планет, поэтому

представляют большой интерес с астрофизической точки зрения, особенно при интерпретации электронных спектров, полученных на спутниках.

Кроме того, анализ этих спектров представляет интерес для физики плазмы, поскольку в последние годы интенсивно развиваются спектроскопические исследования горячей астрофизической и лабораторной плазмы в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах спектра. Объектом изучения при этом являются спектры многозарядных ионов [11]. В солнечной кроне и других астрофизических объектах концентрации тяжелых элементов составляют малые доли процента, и плотность плазмы не превосходит 101' см"3. Высокотемпературная лабораторная плазма, содержащая многозарядные ионы, может быть химически однородна, а ее плотность сравнима с плотностью твердого тела. По общей структуре спектра можно сделать качественные выводы о присутствии того или иного элемента, а степень ионизации элемента характеризует по порядку величины температуру исследуемой плазмы. Проводятся систематические исследования спектров высокотемпературной плазмы, образующейся при фокусировке мощного лазерного излучения на твердую мишень [4]. Целью исследований является не только идентификация спектральных линий, но и установление механизмов возбуждения рентгеновского спектра, то есть выяснение физических параметров процессов в источнике излучения. Тем самым в лабораторных исследованиях становится актуальной задача о воспроизведении ряда свойств, характерных для активных областей и вспышек на Солнце, и в итоге - задача о моделировании астрофизической плазмы в лабораторных условиях. Таким образом, тема исследований и их результаты актуальны и полезны при исследовании высоковозбужденной плазмы в лабораторных условиях.

Целью работы является теоретическое исследование механизмов радиационного и Оже-распада дважды возбужденных состояний в серии ионов углерода (С4+**, С3+", С2+"), азота (К5+", М4+'\ К3+") и кислорода (0+6", 0+5", 0+4").

Основные задачи работы.

Разработка достаточно простой и эффективной теоретической модели, позволяющей учитывать межэлектронное взаимодействие при исследовании процессов распада в серии ионов углерода, азота и кислорода;

Систематическое исследование процесса распада двукратно возбужденных состояний вышеназванных ионов: расчет энергий, вероятностей и ширин радиационных и Оже-распадов двухэлектронных возбужденных состояний;

Построение энергетических спектров излучения и Оже-электронов в серии данных ионов и сравнение полученных спектров с экспериментальными данными и результатами других расчетов;

Определение влияния зарядового состояния ионов на спектральные характеристики спектров распада;

Анализ изменении и структуре спектров при переходе от ионов углерода к ионам кислорода.

Научная новизна работы.

Предложена теоретическая модель, основанная на использовании приближения Хартри-Фока и позволяющая адекватно учитывать межэлектронное взаимодействие при вычислении вероятностей переходов.

В рамках этого подхода получены новые систематизированные данные:

энергетические спектры радиационного и Оже-распадов дважды возбужденных состояний 3/3/', 3/4/', 4/4/' ионов кислорода, углерода и азота; вероятности радиационных переходов;

энергии перехода и ширины уровней относительно Оже-распада в дважды возбужденных состояниях 3/3/', 3/4/', 4/4/' ионов кислорода, углерода и азота.

Проведен анализ изменений спектральных характеристик от степени зарядности ионов Кг\ А"1-"*, А(ы,+, ... Прослежено влияние заселенности нижних состоянии ионов и межэлектронного взаимодействия на вероятности распадов. Такой систематический анализ проведен в данной работе впервые. Проанализированы изменения в спектрах радиационного и Оже-распадов в ряду ионов кислорода, углерода и азота.

В зависимости от вида иона показано, что в целом суммарный энергетический спектр радиационного и Оже-распадов остается идентичным для всех видов ионов. Однако для каждого из видов ионов существенные изменения в вероятностях радиационного и Оже-распадов происходят в ряду их зарядности, то есть, например, по мере заселения оболочки.

Проведены исследования радиационного и Оже-распадов в ряду зарядности ионов А2+, А(г"1)+, А(Ы>+, ... и прослежено влияние межэлектронного взаимодействия на процессы распада возбужденного иона. Такой систематический анализ процесса распада дважды возбужденных состояний еще не проводился, поэтому результаты, полученные в данной работе, являются новыми. _

Научная значимость н практическая ценность работы.

адекватного описания структуры как свободных атомов, так и находящихся в конденсированных средах, а также и их взаимодействия с внешними полями.

Теоретический анализ возможных процессов, сопровождающих перезарядку многократных ионов с захватом одного и двух электронов, позволяет дополнить анализ спектров излучения комет, вещества земной и звездных атмосфер, что в свою очередь дает ответ на вопросы о количестве и видах тяжелых ионов в солнечном ветре. Таким образом, рентгеновское и Оже-излучение комет может служить индикатором характеристик солнечного ветра, а сами кометы, влетающие в солнечную систему с множества различных направлений, могут быть использованы в роли своеобразных зондов, покрывающих пространство космоса, не исследованное космическими аппаратами. Наконец, диагностика солнечной активности также может проводиться с использованием данных, полученных при обработке рентгеновских спектров комет.

Значительную практическую ценность полученные результаты могут представлять также в исследованиях динамики развития лабораторной плазмы (как для лазерной, так и плазмы других источников). Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные и их теоретическая интерпретация свидетельствуют о том, что ряд характеристик активных областей плазмы и вспышек на солнце успешно воспроизводятся в лабораторных условиях. Положения, выносимые на защиту.

1. Разработанный метод вычисления вероятностей радиационного и Оже-распадов многозарядных возбужденных ионов позволяет адекватно описывать спектры излучения н спектры Оже-электронов.

2. Радиационный распад дважды возбужденных состояний, образующихся в результате процесса перезарядки при прохождении ионов солнечного ветра через вещество кометы, вносит существенный вклад в рентгеновское излучение холодного вещества кометы. Его учет приводит к более полному описанию экспериментальных спектров.

3. В ряду ионов углерода (С4+", С1'", С21"), азота (М5+", Ы4+", Ы3+") и кислорода (О6'", 05+", 04+* ) заселение и-оболочки приводит к перераспределению вероятностей радиационного и Оже-распада.

4. Для ионов с открытой I ¿--оболочкой наибольшими вероятностями радиационного распада обладают Зр2, Зр4р, 4р2 состояния, в то время как для ионов с заполненной 15-оболочкой - Зd4d, 4с!2 состояния.

5. Для ионов с открытой 15-оболочкой наибольшими вероятностями Оже-распада обладают за2, 3с14с1, 4/1' состояния, в то время как для ионов с заполненной Ь-оболочкой -3$3р, 3$4р, 4$4р состояния.

Личный вклад автора.

Основные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично; выбор общею направления исследования, обсуждение и постановка рассматриваемых задач осуществлялись совместно с научным руководителям.

Апробации результа т!) работы.

Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

12-ый Международный Симпозиум по поляризации и корреляциям в электронных и атомных столкновениях (12-th International Symposium on Polarization and Correlation in Electronic and Atomic Collisions, ISPCEAC-2003, Königstein, Germany, 2003);

8-ая Европейская конференция по атомной и молекулярной физике (Eighth European Conference on Atomic and Molecular Physics, ECAMP-8, Rennes, France, 2004);

37-ая Международная конференция Европейской группы по атомной спектроскопии (37-th Conference of the European Group for Atomic Systems, EGAS, Dublin, Ircland, 2005);

- 14-ая Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям (14-th International Conference of Photonic, Electronic and Atomic Collisions, Rosario, Argentina, 2005);

Политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности СевероЗападного региона» (Санкт-Петербург, 2005,2006);

10-ая Всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы. Фундаментальные исследования в технических университетах (Санкт-Петербург, 2006).

Результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры экспериментальной физики СПбГПУ, Фнзико-Технического института им. Л.Ф.Иоффе РАН (Санкт-Петербург), а также на неделях науки СПбГПУ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, включая 59 рисунков, 40 таблиц и библиографию из 63 наименований.

Структура диссертации определена в соответствие с целью и задачами исследования и состоит из введения, 3 глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются цели диссертации, очерчивается круг рассматриваемых проблем, объясняется научная новизна и практическая ценность работы, дается краткое содержание диссертации.

В первой главе описываются основные теоретические подходы, используемые в данной работе. В первом параграфе вводится понятие вероятности квантовых переходов под влиянием внешнего возмущения в рамках теории возмущения. Полученное выражение для полной вероятности перехода системы из одного стационарного состояния другое будет использовано для определения вероятности радиационного излучения и ширины уровня относительно Оже-распада.

Во втором параграфе вводится приближение Хартри - Фока (ХФ), в рамках которого описывается начальное (до воздействия внешнего поля) и конечное состояние атома.

В рамках приближения ХФ, при вычислении вероятностей учитывается влияние статической перестройки остова, что описано в третьем параграфе. Перестройка есть результат наличия остаточного взаимодействия и в этом смысле является проявлением электронных корреляций в атоме. В рамках данного метода вылетающий, или возбужденный, электрон оказывается не в поле замороженного остова с вакансией, а в поле остова, перестроенного вследствие образования вакансии. То есть, происходит изменение самосогласованного поля иона-остатка и, как следствие, "размораживание" состояний тех атомных электронов, которые не испытали непосредственно воздействия ноля [12, 13].

В четвертом параграфе описывается взаимодействие атома с электромагнитным полем и вводится понятие оператора дипольного взаимодействия, который в форме "длины" для линейно поляризованного света без учета спин-орбитального взаимодействия имеет вид:

Процесс радиационного распада, рассмотренный в пятом параграфе, характеризуется дипольпым взаимодействием, а именно, вероятность радиационного перехода атома из одного стационарного состояния в другое определяется квадратом дипольного матричного элемента. В параграфе приводится подробный вывод выражений для вероятности и скорости радиационного распада в рамках одночастичного приближения. Таким образом,

где г - радиус-вектор электрона, У10(в,<р) — шаровая функция.

вероятность радиационного перехода и,/, —> л(/у имеет вид (здесь и далее е ~ т - й = 1, энергия в 1'идбергах) 112]:

где с - скорость света (с = 137 ат.ед.)\ и - энергия излученного кванта, равная энергии перехода атомной системы из начального состояния в конечное: ш = Е ( - Е,, где Е, и

матричный элемент в обкладках волновых функций, полученных в приближении Хартри-Фока с учетом статической перестройки остова.

В шестом параграфе рассмотрен процесс Оже-распада и проведены вычисления ширины уровня и скорости Оже-распада. При теоретическом рассмотрении данной задачи наибольшие трудности возникают из-за необходимости учета обменного взаимодействия между электронами. Поэтому наряду с кулоновским вводится некоторый дополнительный

нелокальный потенциал 2 , определяется остаточным взаимодействием и учитывает взаимодействие атомных электронов между собой. В теории многих тел данный потенциал называется неприводимой собственно энергетической частью одночастичноп функции

Грина С. Мнимая часть матричного элемента 2 дает полную ширину уровня относительно Оже-распада. Тогда выражения для ширины уровня у запишем в виде:

где д - переданный момент при прямом взаимодействии электронов; УЛга к Уехф -матричные элементы прямого и обменного кулоновского взаимодействия соответственно [14].

Во второй главе исследуется процесс радиационного распада дважды возбужденных состояний 3/3/', 3/4/', 4/4/' в серии ионов кислорода (0+6", 0+5", О*"4'*), азота (Ы'1'", >13+*) и углерода (С4+ , С3+* , С2+"). Для этих ионов построены энергетические спектры радиационных переходов в различных областях энергий при условии одинаковой заселенности возбужденных состояний [15].

Для серии ионов кислорода (06+*\ 05+", О41"**) энергетический спектр радиационного излучения во всем диапазоне энергий представлен на рис.1.

(2)

полные энергии атомной системы в начальном и конечном состояниях; I, - орбитальный момент электрона в начальном состоянии^Иу/^р'Цл/А - приведенный днпольный

(3)

1,0х105

60 80 100 120 1415 Энергия, эВ

Рис. 1. Спектр радиационного излучения серии ионов кислорода. Светло-серая линия соответствует переходам в ионе О61* ,

Как видно из графика, с наибольшей вероятностью, по сравнению с аналогичными переходами в других ионах, происходят переходы в ионе кислорода О61". С уменьшением заряда иона энергетический спектр, описывающий распад состояний иона О31 , смещен в сторону низких энергий; вероятность радиационного распада на порядок меньше, чем в

темно-серая линия - в ионе О3' линия - в ионе О4

черная

радиационное излучение происходит при более низких энергий, в силу заполненной внутренней 1л оболочки, и вероятность радиационных переходов мала по сравнению с вероятностями распада состояний в ионах О61 \ О31 .

Аналогичные энергетические спектры радиационного излучения получены и для ионов азота Ы3'", Ы41**, Ы"" и углерода С41", С31", С21**. Вероятность излучения в сериях данных ионов, также как и в ионах кислорода, убывает с появлением электронов во внутренней 1? оболочке, а положения линий радиационного распада смещаются в сторону меньших энергий.

Таким образом, структура спектра радиационного излучения остается одинаковой вне зависимости от вида иона. Во всех рассмотренных ионах с наибольшей вероятностью распадаются состояния 3/3/' и 3/4/'.

В ряду каждого из ионов прослежено изменение вероятностей радиационных распадов в зависимости от заселенности низших уровней ионов. Так, в серии ионов с открытой 15-оболочкой (С4 , IV , О'" ) наибольшими вероятностями радиационного распада обладают 3р~, ЪрАр, 4р] состояния. Аналогичная ситуация для ионов с полузаполненной Ь-оболочкой (С3'", И4'", (У'"). Поскольку в ионах С2'", Ы31**, О4'" 15 оболочка заполнена полностью и переход электронов в эти состояния невозможен, то это обстоятельство приводит к сильному уменьшению вероятности распада состояния 3рг. Так, в данных ионах с наибольшей вероятностью распадаются 3сГ, Зоад, 4« состояния. Наиболее стабильным относительно радиационного распада для всех ионов является 45"' состояние. Таким образом, ряду ионов углерода, азота и кислорода заселение Ь-оболочки приводит к перераспределению вероятностей распада.

500 6Л0 700

Энергия,эв

Рис.2. Спектр двухчастичного радиационного излучения ионов кислорода, углерода и азота в области энергий от 340 эВ до 820 эВ. Пунктирная линия соответствует одночастичным переходам в перечисленных ионах [15]. Сплошной линией обозначены экспериментальные данные излучения кометы C/L1NEAR 1999 S4 в области мягкого рентгена [15].

На рис. 2. представлены результаты в относительных единицах измерения, полученные в настоящей работе для

двухчастичных переходов в перечисленных ионах и экспериментально полученный спектр кометы С/ЬШВАЯ 1999 Э4. Эти данные получены с учетом относительной концентрации ионов с различной степенью зарядности в солнечном ветре [15]. В данной работе также получены вероятности одночастичных переходов, которые совпадают с данными.

представленными в [15]. Полученные результаты подтверждают один из основных выводов, сделанных ранее в работах [3, 15], что появление двукратно возбужденных ионов и их распад является весьма вероятным процессом, сравнимым с однократным процессом перезарядки, и их учет необходим при расшифровки спектров излучения, полученных при экспериментальном исследовании излучения комет.

В третьей главе исследуется процесс Оже-распада дважды возбужденных состояниях 3/3/', 3/4/', 4/4/' в серии ионов углерода, азота и кислорода. Получены ширины уровней и энергии Оже-распада в данных состояниях ионов, также построены энергетические спектры Оже-электронов. Кроме того, прослежено изменение ширин Оже-распадов в зависимости от заселенности низших уровней ионов. Как и в случае радиационного распада, при Оже-распаде заселение Ь-оболочки приводит к перераспределению вероятностей переходов в ионах. Так, в серии ионов с полностью

Рис.3. Спектр Оже-расиада состояний 3/3/', 3/4/', 4/4/' в ионе О6'" в диапазоне энергий от 30 до 140 эВ.

свободной Ь-оболочкой (С4+ , Ы5+ , 06+* ) наибольшими вероятностями Оже-распада обладают Зс/", Зс/4с/, 4(/" состояния. В то время как в ионах с полузаполненной Ь-оболочкой (С^* , Ы4'", 05+ ) и заполненной Ь-оболочкой (С2+", 04+") с наибольшей

скоростью распадаются 3.у3р, Зл4состояния.

На рис. 3 предс тавлен спектр Оже-электронов в ионе О6"'" в диапазоне энергий от 30 до 140 эВ, построенный по результатам теоретических расчетов данной работы.

Структура полученного спектра совпадает со структурой спектра Оже-электронов с экспериментальным результатом (рис. 4), полученным при столкновении ионов кислорода Отб *с буферным газом СОг [16]. В данном эксперименте измерялась зависимость сечения захвата электронов при распаде возбужденных состояний с различными квантовыми числами в состояния 21 еГ от энергии Оже-перехода. Так как измерения проводились в лабораторной системе отсчета, в которой учитывается движение иона, то при сравнении теоретического и экспериментального результатов имеем сдвиг но энергии порядка 20 эВ. На рис.4 сплошными прямыми линиями обозначены положения группы спектральных линий Оже-электронов, полученные авторами диссертации, с учетом сдвига по энергии в 20 эВ. Группа линий 1 характеризует положение линий вероятностей Оже-распада состояния 3/3/группа линий 2 - состояния 3/4/', группа линий 3 - состояния 3/4/'.

Так же следует отметить, что в экспериментальном спектре [16] размытость спектра, локализованная около распада (3,3)—>2, объясняется сопутствующими линиями,

соответствующими распадам трижды возбужденных состояний. В рамках данной работы учет вероятностей распада трижды возбужденных состояний не проводился, поэтому на рис. 3 распаду (3,3)—>2, также как и распадам (3,4)—>2 и (3,4)—>2, соответствуют "тонкие" линии.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы:

- разработана модель учета влияния статической перестройки в ионах;

- получены энергии, вероятности и

№

! т |

Г-]

т т ; 1

О 20 40 60 80 100 120 140160 -Энергия, эВ

Рис.4. Сопоставление результатов расчета спектра Оже-электронов с экспериментальным спектром Оже-электронов в ионе О""", полученный при медленном столкновении ,80,й" + С02 [14].

скорости радиационных распадов дважды возбужденных состояний 3/3/', 3/4/', 4/4/' в серии ионов углерода, азота и кислорода; построены

- получены энергии, вероятности н скорости Оже-распадов дважды возбужденных состояний 3/3/', 3/4/', 4/4/' в серии ионов углерода, азота и кислорода; построены энергетические спектры Ожс-исрсходов; распада появление электронов в основном ls-состояшш приводит к перераспределению вероятностей распада дважды возбужденных состояний и изменению характеристик спектров радиационного излучения ионов;

- показано, что для процесса Оже-распада появление электронов в основном U-состоянии приводит к перераспределению вероятностей распада дважды возбужденных состояний и изменению характеристик спектров Оже-электронов.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lisse С.М., Weaver Н.А. et al HST and VLT investigations of the fragments of comet C/1999 S4 (C/LINEAR) // Icarus. - 1999. - 141. - P.316-330.

2. Hasan A.A., Eissa F., Ali R. State-selective charge transfer studies relevant to solar wind-comet interaction //The Astrophysical Journal. - 2001. - 560. - P.L201-L205.

3. Cravens Т.Е. X-ray emission from comets // Science. - 2002. - V.296. - P.1042.

4. Repino R., Kharchenko V., Dalgarno A., Lallement R. Spectra of the X-ray Emission Induced in the Interaction Between the Solar Wind and the Heliospheric Gas // The Astrophysical Journal. - 2004. - V.617. - P. 1352.

5. Rosine L., Dalgarno A.; Kharchenko V., Peppino R.. Koutroumpa D., Izmodenov V. Emission Maps of Charge-transfer Induced Heliospheric X-rays // Jt. Assem. Suppl. - 2005. -Abstract #. - P41A-03.

6. Hugo W., van der Hart, Vaeck N., Jorgen E. Hansen Radiative stabilization of the double-excited 4/4/' and 4/5/' singlet terms in Ne8+ // J.Phys.B: At. Mol. Opt. Phys. - 1995. - 28. -P.5207-5228.

7. Hugo W., van der Hart, Jorgen E. Hansen, Bachau H., Sanchez I. Fluorescence yields for З/n/' Rydberg series in ions belonging to the isoelectronic sequence // J.Phys.B: At. Mol. Opt. Phys.- 1997.- 30.-P.203-214.

8. Fritsch W., Lin C.D. One- and two-electron transitions in slow C5+-He collisions: Total and angle-differential cross sections and coherence parameters // Phys. Rev A.- 1996.- V.54.-№6.- P.4931-4942.

9. Melo W.S.. Sant'Anna M.M., Santos A.C.F.. Sigaud G.M., Montenegro E.C. Electron loss and single and double capture of C|,+l and 0!5t| ions in collisions with noble gases // Phys. Rev. A.- 2006,- V.60.- №.2,- P. 1124-1134.

10. Merabct П., Cremer G., Fremont F., Chesnel J.-Y., and Stolterfoht N. Energies and radiative and nonradiative decay rates of doubly excited 32ni' prime and 4/n/' prime states in Ne8+ // Phys.Rev.A. - 1996. - 54(1). - P.372.

11. Hugo W., van der Hart, Vaeck N., Jorgen E. Hansen Radiative stabilization in double-

electron capture to 4141' and 4151' states in O6" // J.Phys.B: At. Mol. Opt. Phys. - 1994. 27. P. 3489-3514.

12. Амусья М.Я., Чернышева Jl.В. Автоматизированная система исследования структуры атомов. - Л: Наука, 1983. - 174с.

13. Ландау, Л.Д., и Лившиц, Е.М. Курс теоретической физики. T.III. Квантовая механика. Перелятивистская теория. - М.: Наука, 1974. - 808с.

14. Собельман И.И.. Введение в теорию атомных спектров. - М.: физматлит, 1963. - 640 с.

15. Beiersdorfer P., Воусе K.R., Brown G.V., Chen Н„ Kahn S.M., Kelley R.L., May М., Olson R. E., Porter F.S., Stable C.K., Tillotson W.A. Laboratory Simulation of Charge Exchange-Produced X-ray Emission from Comets // Science. - 2003. - 300. - P. 1558-1559.

16. Moretto-Capelle P., Bordenave-Montesquieu D., Bordenave-Montesquieu A. Dissociative

double capture in ,808l"+C02 collisions // J. Phys. B. At. Mol. Opt. Phys. - 2000. - V.33. -P.L735-L742.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Васецкая Н.О., Иванов В.К., Харченко В.А. Радиационные распады дважды возбужденных состояний ионов кислорода и углерода // Научно-Техиические Ведомости СПбГТУ. - 2006. - Т. 1. - № 47. - С. 31-39.

2. Васецкая Н.О., Иванов В.К. Радиационные распады дважды возбужденных состояний тяжелых ионов солнечного вегра // Автоматизация, информатизация, инновация в транспортных системах: сборник научно-технических статей. - 2007. - №4. - С 73-82.

3. Васецкая И.О., Иванов В.К. Оже-распады дважды возбужденных состояний ионов кислорода, углерода и азота // Научно-Технические Ведомости СПбГТУ. - 2008. - Т. 2. -№ 54. - С. 223-230.

4. Васецкая Н.О., Иванов В.К. Радиационные распады дважды возбужденных состояний ионов кислорода, углерода и азота // Оптика и спектроскопия. - 2008. - Т. 105, - № 5. - С. 726-731.

5. Васецкая Н.О., Иванов В.К. Оже-распады дважды возбужденных состояний ионов кислорода, углерода и азота //Письма в Ж'ГФ. - 2009. - т.35. - вып.4. - С.39-47.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 16.02.2009. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-тд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 4061Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кочура, Наталья Олеговна

Содержание.

Введение.

Глава 1. Методы расчета вероятностей переходов.

1.1. Вероятность квантовых переходов под влиянием внешнего возмущения.

1.2.0дночастичное приближение Хартри-Фока.

1.3.Учет перестройки остова.

1.4.Взаимодействие атома с электромагнитным полем. Оператор дипольного взаимодействия.

1.5.Вероятность радиационных переходов.

1.6.Ширина уровня относительно Оже-распада. Вероятность Оже-распада.

Глава 2. Радиационные распады в ионах углерода, азота и кислорода.

2.1.Радиационное излучение в серии ионов кислорода.

2.2.Радиационное излучение в серии ионов азота.

2.3.Радиационное излучение в серии ионов углерода.

2.4. Сравнение с экспериментом.

Глава 3. Оже-распады в ионах углерода, азота и кислорода.

3.1.0же-распад в серии ионов кислорода.

3.2.0же-распад в серии ионов азота.

3.3. Оже-распады в серии ионов углерода.

3.4.Сравнение с экспериментом.

Введение диссертация по физике, на тему "Радиационные и оже-распады многозарядных высоковозбужденных ионов"

Актуальность работы

Исследования процессов распада возбужденных состояний атомов и молекул, находящихся в твердых телах или газообразных средах дает ценную информацию о внутреннем строении этих объектов. Поэтому изучение спектров рентгеновского излучения и Оже-электронов является мощным инструментом исследования структуры и процессов возбуждения конденсированных сред и, поэтому рентгеновская и Оже-спектроскопия в настоящее время широко используются физиками и другими исследователями в фундаментальных и практических целях.

С помощью радиационных и Оже-спектров молено получать важные данные о межатомных взаимодействиях, осуществлять химический анализ газа, определять элементарный состав поверхностных слоев атмосфер и твердых тел. Кроме того, особый интерес представляют спектры Оже-электронов и радиационные спектры, экспериментально полученные со спутников, так как они служат основными источниками информации об удаленных космических объектах, недоступных прямым исследованиям средствами современной космонавтики. В настоящее время осуществляются наблюдения небесных объектов в широком диапазоне электромагнитного излучения, начиная от радиоволнового диапазона и заканчивая самыми энергичными фотонами, энергия которых достигает величины 1016 эВ.

В частности, в последние годы с помощью спутников обнаружено, что кометы являются сильным источником излучения в рентгеновском и жестком ультрафиолетовом диапазоне длин волн (А, = 0.01 10 нм) [1-7]. Открытие в 1997 году высокой светимости 109 W) кометы Хиякутаке (Hyakutake) в рентгеновском и жестком ультрафиолетовом диапазоне было неожиданным, поскольку было хорошо известно, что кометы холодные объекты. Дальнейшие исследования спектров других комет показали, что излучение высокоэнергичных квантов является, по-видимому, характерным для всех активных комет [2-4]. В настоящее время известно более двадцати комет, которые являются эффективными источниками рентгеновского излучения.

Наблюдения кометы С/1999 S4 (L/NEAR) с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории Чандра (Chanс/га) в 2000 году позволили зафиксировать рентгеновское излучение ионов кислорода и азота. Детальные исследования спектров показали, что этой рентгеновское излучение возникает при столкновениях ионов из солнечного ветра с газом и "телом" кометы. Солнечный ветер представляет собой поток атомов и ионов, основную часть которого составляют водород (92% от общего объема) и гелий (8%), а тяжелые элементы (-0.1%) представлены многозарядными ионами углерода, азота и кислорода, имеющими не более двух электронов в основном состоянии. При достижении кометы, атмосфера которой состоит из смеси газообразных Н2О, СО, СН4, Н2СО, NH3 и пыли [3, 8-10], солнечный ветер значительно снижает свою скорость за счет столкновений, образуя в ближнем к ядру слое "зону застоя", в которой столкновения частиц ветра и атмосферного газа довольно часты. Максимум светимости в рентгеновском диапазоне приходится именно на эту область кометы. Таким образом, из всех существующих механизмов образования рентгеновских у-квантов, наиболее вероятным является процесс распада возбужденных состояний многозарядных ионов, образующихся в результате перезарядки между пролетающими ионами солнечного ветра и нейтральными атомами и молекулами атмосферы и поверхности кометы.

При низких энергиях столкновения в системе "ион-атом" сопровождаются двухэлектронным захватом, основной причиной которого является процесс перезарядки между многократными ионами солнечного ветра и нейтральными атомами и молекулами атмосферного газа и поверхности планет и комет. При перезарядке налетающий многозарядный ион "обдирает" один или два электрона с нейтрального атома-мишени или молекулы-мишени [4,5, 11-16], что приводит к одноэлектронному или двухэлектронному захвату. Одноэлектронный захват при перезарядке ионов изучен достаточно хорошо, а исследований двухэлектронного захвата проводилось намного меньше, поэтому особый интерес изучения представляет именно двухэлектронный захват в силу малой изученности. Теоретический анализ процессов распада двухэлектронных состояний, наряду с распадом одноэлектронных возбуждений, позволяет проанализировать спектры излучения комет, получить информацию о распределении плазмы солнечного ветра и нейтрального газа в отдаленных слоях солнечной системы.

Двухэлектронный захват с наибольшей вероятностью происходит на высоковозбужденные уровни, которые впоследствии претерпевают радиационный распад возбужденного состояния со стабилизацией обоих электронов на ионе или Оже-распад с отрывом одного из электронов. Радиационный распад одноэлектронных возбуждений в ионах вышеназванных элементов изучен достаточно хорошо. Двухэлектронные возбуждения распадаются в основном за счет Оже-процесса [17], вероятность которого более чем на 3 порядка превышает вероятность радиационного распада.

Диссертация посвящена определению и анализу спектров радиационного и Оже-распадов дважды возбужденных состояний различных ионов кислорода, углерода и азота. Ионы этих элементов присутствуют в солнечном ветре и атмосферах планет, поэтому представляют большой интерес с астрофизической точки зрения, особенно при интерпретации электронных спектров, полученных на спутниках.

II 3 превосходит 10 см" . Высокотемпературная лабораторная плазма, содержащая многозарядные ионы, может быть химически однородна, а ее плотность сравнима с плотностью твердого тела. По общей структуре спектра можно сделать качественные выводы о присутствии того или иного элемента, а степень ионизации элемента характеризует по порядку величины температуру исследуемой плазмы. Проводятся систематические исследования спектров высокотемпературной плазмы, образующейся при фокусировке мощного лазерного излучения на твердую мишень [20, 21]. Целью исследований является не только идентификация спектральных линий, но и установление механизмов возбуждения рентгеновского спектра, то есть выяснение физических параметров процессов в источнике излучения. Тем самым в лабораторных исследованиях становится актуальной задача о воспроизведении ряда свойств, характерных для активных областей и вспышек на Солнце, и в итоге - задача о моделировании астрофизической плазмы в лабораторных условиях. Таким образом, тема исследований и их результаты актуальны и полезны при исследовании высоковозбужденной плазмы в лабораторных условиях.

Краткий обзор исследований процессов распада в ионах.

Неожиданное обнаружение рентгеновского излучения холодной кометы Hyakutake наиболее полно было описано Кравенсом Т.Е. В статье представлены рентгеновские спектры, полученные с помощью космической обсерватории RO.SAT, и показано, что излучение свойственно всем кометам. Также показано, что перезарядка между ионами солнечного ветра и атмосферой кометы является основной причиной образования излучения [4].

Группой ученых Массачусетского университета атомной физики получен спектр рентгеновского излучения, возникающего в результате медленного и быстрого взаимодействия компонент солнечного ветра с атмосферой кометы [22]. Показано хорошее согласие с экспериментом результатов, полученных при вычислении спектров излучения, происходящего в результате одноэлектронной перезарядки. Исследуется схожесть структуры спектральных линий и интенсивность переходов, которые включают и запрещенные переходы, для медленного и быстрого солнечного ветра. Индивидуальность спектра для каждой из комет обусловлена различным составом солнечного ветра. Сравнение с наблюдаемыми данными для комет Levy и Hale-Bopp показало, что они были подвергнуты влиянию медленного солнечного ветра. Обсуждаются механизмы рентгеновского излучения при энергиях порядка 0,9 КэВ.

Позже той же группой представлена статья, в которой представлен спектр рентгеновского излучения гелиосферы, образующегося в результате перезарядки между ионами солнечного ветра и ионами межзвездного газа [20]. Астрофизиками были рассчитаны спектры индивидуально для каждого иона кислорода, углерода, азота и неона, также были построены сечения захвата при столкновениях с перезарядкой тяжелых ионов солнечного ветра с атомами Н и Не. Спектры излучения также представлены для медленных и быстрых взаимодействий ионов солнечного ветра с ионами газа гелиосферы. В 2005 году была создана модель, описывающая взаимодействие межзвездного нейтрального газа (водорода и гелия) с потоками максимально и минимально активного 3D солнечного ветра [23]. Используя скорректированное сечение, авторами была получена карта и исследованы спектральные свойства излучения в области мягкого рентгена.

В статье [24] представлены лабораторные исследования взаимодействия при малых энергиях водородоподобных ионов с нейтральным газом. Измерения показали, что анализ спектра рентгеновского излучения комет помогает определять скорость солнечного ветра. Показано, что спектр излучения, наблюдаемый при медленных столкновениях (менее 50 км/с), имеет четко выраженные высокоэнергетичные области, что не характерно для высокоэнергетических столкновениях (более 800 км/с).

В статье Шоудена C.JI. и др. [25] представлен рентгеновский спектр излучения кометы XMM-Newton внутри солнечной системы и проведен анализ данного спектра с идентификацией спектральных линий для различных тяжелых ионов солнечного ветра. Так, в спектре в области энергий около 0,37 и 0,46 КэВ доминируют линии излучения в ионе углерода Сб+, в области энергий 0,56 КэВ - ионе кислорода 07+, 0,65 и 0,8 кэВ — ионе кислорода 08+, 0,92 КэВ - ионе неона Ne9+, 1,35 кэВ - ионе магния Mg11+. Этот спектр соответствует излучению, полученному в процессе перезарядки между высоко ионизированным солнечным ветром и межзвездным нейтральным газом в гелиосфере. Излучение четко наблюдается при низких энергиях (менее 1,5КэВ).

Ван дер Хартом и группой исследователей наблюдались медленные столкновения 08++Аг и был рассмотрен двойной захват в 4/4/' и 4/5/' состояния в ионе Об+ [6]. Экспериментальные результаты показали, что в 25% случаев два электрона, удерживающихся на ионе кислорода, вероятней всего радиационно стабилизируются. Для объяснений причин появления такой высокой степени стабилизации были сначала вычислены скорости распада 4/4/' и 4/5/' состояний в изолированном атоме, используя сокращенный диагонализированный B-split метод. Состояние 4/4/' по энергиям находятся на том же энергетическом уровне, что и высшее из Ъ1п1' состояний, и авторы расширили вычисления для п до 50. В. данном статическом приближении наблюдалось 30,8% радиационно стабилизированных электронов для 4/4/' и 2,6% для 4/5/' состояний.

Такого лее рода медленные столкновения аргона с тяжелыми ионом N7+ (N7+ + Аг) рассмотрены в статье [26].

Позже, этими же авторами были представлены результаты излучения 3/п/' состояний в гелио-подобных ионах N, О, и Ne [27]. Результаты представлены для синглетных серий для состояний с п от 3 до 9, вплоть до области перекрытия с состояниями, принадлежащими состояниям 4/4/' данного атома. Эти данные необходимы, например, для интерпретации экспериментальных результатов, полученных при перезарядке "голых" ядер ионов азота N, кислорода О и неона Ne. Получено, что излучение, среднее для всех Ъ1пГ синглетных состояний, больше на 50%, чем излучение полученное для состояний с п-1.

В работах [28, 29] рассмотрен процесс двойного захвата в ионах кислорода, азота и углерода при медленных столкновениях с благородными газами. А в работах [30, 31] проведено теоретическое изучение процессов перезарядки и возбуждения при столкновениях между Не и С5+, N6+, 07+ водородоподобными ионами.

Электронный захват ионами О ' и N при столкновении с Не также был исследован методом импульсной спектроскопии в работе [32]. Были измерены величины Q и угловое дифференциальное сечение захвата для одноэлектронного и двухэлектронного захвата. Полученные величины Q показали, что электроны захватываются в менее сильно связанные состояния с большей скоростью.

Хасаном А. А. и др. в 2001 году проводилось сравнение экспериментальных и теоретических сечений одноэлектронного захвата для столкновительных систем, похожих на систему взаимодействия "комета -солнечный ветер". Экспериментальные измерения были получены, используя метод спектроскопии и рассматривая в качестве "иона-снаряда" ионы N?+ и 07+, а в качестве "ионов - мишени" Н20, СО2 и СО. Теоретические вычислении проводились методами Монте-Карло и Ландау-Зинера. Также обсуждался вклад многоэлектронного захвата в рентгеновское излучение комет [33].

Фремон Ф., Мерабет X. и др. проводили лабораторные исследования радиационного распада с системе Ne10+ + Не. Ими обсуждался вклад в радиационную стабилизацию при медленных столкновениях (энергия порядка 150 КэВ) [15]. Показано, что стабилизация составляет 30% от полного двойного захвата. Основной вклад (0,51) в стабилизацию вносит распад состояний с близкими квантовыми числами 3Inl' (я=4, 5) и MnV. Дальнейшая стабилизация обусловлена распадом Ъ1пУ состояния с разными п, которое заселяется при столкновении (0,26). Вклад послестолкновительного взаимодействия очень мал.

Позже группой тех же авторов были проведены исследования по Оже-распаду состояний. Метод Оже-спектроскопии был использован для измерения сечения захвата К-электронов при столкновениях в системах

7 , £ I

N +Ne и N +Ne при энергиях порядка 35 КэВ [34]. В дополнение к К-элекгронам в азоте был исследован многоэлектронный захват.

В статье 2002 года тех же авторов представлены процессы, происходящие при медленных столкновениях высокозарядных ионов и нейтральных мишеней [35]. В качестве молекулы-мишени была рассмотрена молекула Н2. Обсуждается механизм захвата двух электронов. Показано, что электрон-ядерное взаимодействие преобладает при реактивной скорости порядка 0,5 а.е., электрон-электронное взаимодействие играет решающую роль в течении столкновения и увеличивается, когда реактивная скорость уменьшается. Это взаимодействие также может быть вызвано захватом остовных электронов

Фритче В. и Лин С. рассмотрели столкновительную систему С5+-Не. В рамках полуклассической теории они описали атомные столкновения (энергия 1-35 кэВ) в системе С5+-Не и возбуждение одного или двух электронов в данной системе [36]. Были определены интегрированное сечение захвата для каналов одно- и двухэлекгронной передачи и для канала передачи возбуждения.

Похожая столкновительная система Сб+ — Не была рассмотрена в работе Штольтерфохт Н., Зоммер К. [37]. Были выполнены соответствующие вычисления атомной структуры для определения связи между скоростями Оже- и радиационных переходов. Полученные данные хорошо совпадают с экспериментальными результатами, наблюдаемыми для системы Сб+ + Не. Сравнение также проводилось с ранее полученными вычислениями, учитывающими электрон-электронное взаимодействие. Показано, что межэлектронные корреляции играют решающую роль при двойном захвате в столкновительной системе.

В статье [38] количественно оценена роль Оже- и радиационных рекомбинационных процессов при нейтрализации медленных многозарядных ионов в металлах (Ne и Аг). Сильное возмущение валентных электронов иона нуждается в нелинейной трактовке, которую можно осуществить, используя теорию функционала плотности. Показано, что это возмущение создает электронное облако вокруг иона, которое имеет атомоподобные характеристики. Показано, что это явление, которое определяет величину скорости переходов, объясняется Оже- и радиационным распадами для ионов неона и аргона.

Однако отметим, что несмотря на большое количество экспериментов и расчетов процессов распада в различных ионах систематического изучения распада дважды возбужденных состояний ионов не проводилось.

Целью работы является теоретическое исследование механизмов радиационного и Оже-распада дважды возбужденных состояний в серии ионов углерода (С , С , С ), азота (N , N , N ) и кислорода (О46**, 0+5", О44**).

Основные задачи работы.

Определение влияния зарядового состояния ионов на спектральные характеристики спектров распада;

Анализ изменений в структуре спектров при переходе от ионов углерода к ионам кислорода.

Научная новизна работы.

В рамках этого подхода получены новые систематизированные данные: энергетические спектры радиационного и Оже-распадов дважды возбужденных состояний 3/3/', 3/4/', 4/4/' ионов кислорода, углерода и азота; вероятности радиационных переходов; энергии перехода и ширины уровней относительно Оже-распада в дважды возбужденных состояниях 3/3/', 3/4/', 4/4/' ионов кислорода, углерода и азота.

Проведен анализ изменений спектральных характеристик от степени зарядности ионов Az+, A(Z'1)+, A(Z"2)+, . Прослежено влияние заселенности нижних состояний ионов и межэлектронного взаимодействия на вероятности распадов. Такой систематический анализ проведен в данной работе впервые. Проанализированы изменения в спектрах радиационного и Оже-распадов в ряду ионов кислорода, углерода и азота.

В зависимости от вида иона показано, что в целом энергетический спектр радиационного и Оже-распадов не претерпевает существенных изменений остается идентичным для всех видов ионов.

Проведены исследования радиационного и Оже-распадов в ряду зарядности ионов Az+, A(ZI)+, A(Z"2)+, . и прослежено влияние межэлектронного взаимодействия на поведение возбужденного иона. Такой систематический анализ процесса распада дважды возбужденных состояний еще не проводился, поэтому результаты, полученные в данной работе, являются первыми.

Научная значимость и практическая ценность работы.

Применяемый автором подход для определения амплитуд и вероятностей распада может широко использоваться для проведения спектроскопических исследований как в атомах и ионах, так и в более сложных объектах, таких как, например, кластеры. Реализованный на данном подходе метод расчета позволяет широко его использовать для адекватного описания структуры как свободных атомов, так и находящихся в конденсированных средах, а также и их взаимодействия с внешними полями.

Теоретический анализ возможных процессов, сопровождающих перезарядку многократных ионов с захватом одного и двух электронов, позволяет дополнить анализ спектров излучения комет, вещества земной и звездных атмосфер, что в свою очередь дает ответ на вопросы о количестве и видах тяжелых ионов в солнечном ветре. Таким образом, рентгеновское и Оже-излучение комет может служить индикатором характеристик солнечного ветра, а сами кометы, влетающие в солнечную систему с множества различных направлений, могут быть использованы в роли своеобразных зондов, покрывающих пространство космоса, не исследованное космическими аппаратами [2-4]. Наконец, диагностика солнечной активности также может проводиться с использованием данных, полученных при обработке рентгеновских спектров комет.

Личный вклад автора.

Постановка основной задачи выполнена научным руководителем. Автор диссертации принимал участие в разработке метода вычислений дважды возбужденных состояний и их радиационного и Оже- распадов и получающихся после распада конечных состояний. Также лично автором проведены конкретные расчеты волновых функций и энергий, амплитуд переходов и матричных элементов межэлектронного взаимодействия, а также вероятностей радиационного излучения и ширин уровней относительно Оже-распада в многозарядных ионах кислорода, углерода и азота. Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанный метод вычисления вероятностей радиационного и Оже-распадов многозарядных возбужденных ионов позволяет адекватно описывать спектры излучения и спектры Оже-электронов.

3. В ряду ионов углерода (С4+**, С3+**, С2+"), азота (N5+**, N4+", N3+**) и кислорода (Об+*\ 05+*\ 04+") заселение Ls-оболочки приводит к перераспределению вероятностей радиационного и Оже-распада.

4. Для ионов с открытой 1^-оболочкой наибольшими вероятностями радиационного распада обладают Зр2, Зр4р, Ар2 состояния, в то время как для ионов с заполненной ls-оболочкой - Зс/2, 3d4d, 4cf состояния.

5. Для ионов с открытой ls-оболочкой наибольшими вероятностями Оже-распада обладают 3d2, 3d4d, 4(Г состояния, в то время как для ионов с заполненной ^-оболочкой —3s3p, 3s4p, 4s4p состояния.

Апробация работы.

Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

12-ый Международный Симпозиум по поляризации и корреляциям в электронных и атомных столкновениях (12-th /nternat/onal Symposium on Polarization and Correlate on /n Electron/c лпс1 Atom/c СоПшот, /SPCEAC-2003,, Kdnzgste/n, Germany, 2003);

8-ая Европейская конференция по атомной и молекулярной физике (E/ghth European Con/erence on Atom/c and Molecular Physics, ECAMP-8, Rennet, France, 2004);

37-ая Международная конференция Европейской группы по атомной спектроскопии (37-th Con/erence of the European Group for Atom/c Systems, EGAS, Dubl/n, /reland, 2005);

14-ая Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям (14-th /nternat/onal Con/erence of Photon/c, Electron?c and Atom/c Со11шош', Rosar/o, Argentina, 2005);

Политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2005,2006);

Результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры экспериментальной физики СПбГПУ, Физико-Технического института им. АФ.Иоффе РАН (Санкт-Петербург), а также на неделях науки СПбГПУ. Работа поддержана персональными грантами Фонда некоммерческих программ "Династия" (2005, 2008гг.) и грантом Комитета по науке и высшей школе Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт Петербурга (2008г.).

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 научных работах. 1. Васецкая Н.О., Иванов В.К., Харченко В.А. Радиационные распады дважды возбужденных состояний ионов кислорода и углерода // Научно-Технические Ведомости СПбГТУ. - 2006. - Т. 1. - № 47. - С. 31-39.

2. Васецкая Н.О., Иванов В.К. Радиационные распады дважды возбужденных состояний тяжелых ионов солнечного ветра // Автоматизация, информатизация, инновация в транспортных системах: сборник научно-технических статей. - 2007. - №4. - С 73-82.

3. Васецкая Н.О., Иванов В.К. Оже-распады дважды возбужденных состояний ионов кислорода, углерода и азота // Научно-Технические Ведомости СПбГТУ. - 2008. - Т. 2. - № 54. - С. 223-230.

5. Васецкая Н.О., Иванов В.К. Оже-распады дважды возбужденных состояний ионов кислорода, углерода и азота // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т. 35. -№4. - С. 38-47.

Кроме того, автором опубликован ряд работ, включая тезисы международных и всероссийских конференций: [39-45] списка цитируемой литературы.

Объем и структура диссертации.

Работа изложена на 141 странице машинописного текста, включая 59 рисунков, 40 таблиц и библиографию из 63 наименований.

Структура диссертации определена в соответствие с целью и задачами исследования и состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме "Теоретическая физика"

Заключение.

В работе проведено теоретическое исследование механизмов радиационного и Оже-распада дважды возбужденных состояний в серии ионов углерода (С , С С ), азота (N , N , N ) и кислорода

0+6~ 044-} ПостроенЬ1 и проанализированы спектры радиационного и Оже-распадов дважды возбужденных состояний различных ионов кислорода, углерода и азота.

Сформулируем основные результаты, полученные в работе:

• Разработана достаточно простая и эффективная теоретическая модель, позволяющей^ учитывать межэлектронное взаимодействие при исследовании процессов распада в серии ионов углерода, азота и кислорода.

• Проведено систематическое исследование процесса радиационного распада двукратно возбужденных состояний вышеназванных ионов. Получены значения энергий, вероятностей и скоростей радиационных распадов дважды возбужденных 3/3/', 3/4/', 4/4/' состояний в серии ионов углерода, азота и кислорода. Построены энергетические спектры радиационного излучения в серии данных ионов. Показано, что для процесса радиационного распада появление электронов в основном^ 1 s-состоянии приводит к перераспределению вероятностей рас пада > дважды возбужденных состояний и изменению характеристик спектров радиационного излучения ионов: для ионов с открытой ls-оболочкой наибольшими вероятностями радиационного распада обладают Зр2, Зр4р, Ар2 состояния, в то время как для ионов с заполненной оболочкой - 3d2, 3d4d, 4d2 состояния.

• Проведено систематическое исследование процесса Оже-распада двукратно возбужденных состояний вышеназванных ионов. Получены значения энергий, ширин и скоростей относительно Оже-распадов дважды возбужденных 3131', 3141', 4/4/' состояний в серии ионов углерода, азота и кислорода. Построены энергетические спектры Оже-электронов в серии данных ионов. Показано, что для процесса Оже-распада появление электронов в основном ls-состоянии приводит к перераспределению вероятностей распада дважды возбужденных состояний и изменению характеристик спектров Оже-электронов: для ионов с открытой ls-оболочкой наибольшими вероятностями Оже-распада обладают 3d2, 3dAd, Ad2 состояния, в то время как для ионов с заполненной l.v-оболочкой - 3s3p, 3sAp, AsAp состояния.

В заключении автор считает приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю проф. В.К.Иванову за постоянное внимание, постановку и обсуждение рассмотренных в диссертации задач, а также за полезные методические указания по организации работы над диссертацией. Автор благодарен также Р.Г. Полозкову и М.А. Кулову за помощь в работе над диссертацией. Особую благодарность выражаю своей семье, без поддержки которой данная работа не была бы возможна.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кочура, Наталья Олеговна, Санкт-Петербург

1. Krasnopolsky V.A. On the Nature of Soft X-Ray Radz'at/on z'n Comets // ikarus.-2002,- V.160. -P.437.

2. Cravens Т.Е. X-ray emission from Comets // Science.- 2002.- V.296.- P. 10421045.

3. Be/ersdor/er P., Boyce K.R., Brown G.V., Chen H., Kahn S.M., Kelley R.L., May M., Olson R.E., Sorter F.S., ЛаЫе C.K., Tzllotson W.A. Laboratory SVmulat/on of Charge Exchange-Produced X-ray Em/ss/on from Comets // Scz'ence.- 2003.-V.300.-P.1558-1559.

4. Hugo W., van der Hart, Vaeck N., Jorgen E. Hansen Radzatz've stab/1 zzatz'on /n double-electron capture to 4/4/' and 4/5/' states z'n 06+ // J.Phys.B: At. Mol. Opt. Phys.- 1994.-V. 27.- P. 3489-3514.

5. Otranto S., Olson R. E. and Bezerst/or/er P. X-ray emission cross sectzons ybllowzng charge exchange by multzply charged ions of astrophys/cal znterest // Phys. Rev. A.- 2006,- V.73.- №2, 9 pages.

6. Hugo W., van dc r Hart, Vaeck N., Jorgen E. Hansen Radzatz've stabz'lz'zatz'on of the double-excz'ted 4/4/' and 4/5/' s/'nglet terms in Ne8+ // J.Phys.B: At. Mol. Opt. Phys.- 1995,- V.28.- P. 5207-5228:

7. H. Merabet, G. Cremer, F. Fremont, J.-Y. Chesnel, andN. ^tolter/oht Energz'es and radiative an d nonradzatz've decay rates of doubly excz'ted Ъ1пГ prime and AM' prime states z'n Ne8+11 Phys.Rev.A- 1996,- V.54(l).- P.372.

8. Melchert F., Schulze R., Krudener S., Meuser S., Salzborn E., Uskov D.B., Ulantsev A.D., Presnyakov L.P. Single- and double-electron detachment z'n collzsz'ons of two negat/ve hydrogen z'ons // J. Phys. В.- 2005.- V.28.- №15.-P.3299-3308.

9. Бейгман И.Л., Левашов B.E., Медников K.H. и др. Перезарядка многозарядных ионов лазерной плазмы на атомах струи благородного газа // Квант, электрон. (Россия).- 2007.-Т.37.- №11.- С. 1060-1064.

10. Нариц А.А., Намба Ч., Янев Р.К. Перезарядка в столкновениях двух многозарядных ионов // Кратк. сообщ. по физ. ФИАН.- 2005.-Т.2005,- №2,-С.20-28.

11. Martz'nez А.Е., R/verola R.ZX, Gayet R., Hanssen J. Double electron capture theories: second order contrz'butz'ons // Phys. scr.- 2006.- V.80A.- P. 124-127.

12. Никулин В:К., Гущина Н.А. Одно- и двухэлектронные процессы захвата при медленных столкновениях Ne{q+}-He (q=10,6) // ЖТФ:- 2006,- Т.69,- №1.-С. 15-28.

13. Be/er^or/er P., Schwe/'khard L., Olson R. et al. X-ray measurements' of charge transfer react/ons mvolv/'ng cold, very h/ghly charged /ош // Phys. лег,- 2006.-V.80A.- P. 121-123.

14. Kamber E. Y., Abdallah M. A., Cocke C. L., Stockl/ M. State-select/ve electron capture ra (0.5-50)-keV/u C{5+}-He соИшош studied by cold-target reco/1-юп momentum spectroscopy // Phys. Rev. A.- 2006.- V.60.- №4,- P.2907-2916:

15. Rep/no R., Kharchenko V., £>algarno A., Lallement R. .Spectra of the X-ray Em/ss/on Induced in the /nteract/on Between the Solar Wind and the Hel/ospher/c Gas // The Astrophys/cal Journal:- 2004.- V.617.- P. 1352.

16. L/' Sh.-M., M/ao Y.-G., Zhou Z.-F. et al: Double electron capture between an a particle and a hel/um atom ra the presence of an intense laser field II Phys. Rev. A.-2006.-V.57.-№5.-P.3705-3711.

17. Kharchenko V., DaXgamo A. Var/'ab/l/ty of cometary X-ray em/ss/'on induced by solar wind ions II The Astrophys/calJournal.- 2001.- V.554.- P.L.99-102.

18. Ros/ne L., Z)algarno A.; Kharchenko V., Pepp/noR., Koutroumpa D., /zmodenov V. Em/ss/on Maps of Charge-trans/er Induced Hel/'ospher/c X-rays // Jt. Assem. Suppl.- 2005. -Abstract #.- PA 1A-03.

19. Be/ersc/or/er P., L/'sse C.M., Olson R.E., Brown G.V., Chen H. X-ray veloc/'metry of solar wind ion impact on comets // The Astrophys/cal Journal.- 2001.- V.549.-P.L. 147-150.

20. Snowden S.L., Coll/er M.R., Kuntz K.Z). 'XMM-Newton Observat/'on о/Solar Wind Charge Exchange Em/ss/on II The Astrophys/cal Journal.- 2004.- V.610.-P.1182.

21. Emmons E.D., Hasan А. А., А1/ R. Mult/ple-electron capture processes zn 70-keV N{7+} + Ar coll/s/ons: A tr/ple-comc/'dence study // Phys. Rev. A.- 2006,- V.60.-№6,- P.4616-4626.

22. Hugo W., van der Hart, Jorgen E. Hansen, Bachau H., Sanchez I. .Fluorescence yields for 3lnl' Rydberg series ra /'ons belong/ng to the /'soelectron/'c sequence // J.Phys.B: At. Mol. Opt. Phys.- 1997.- V.30.-P. 203-214.

23. Purka/'t M., Das M., Mandal C.R. State-select/ve electron capture by mult/charged /ons of carbon, n/trogen, and oxygen ^rom ground-state atom/c hydrogen // Phys. Rev. A.- 2005.- V.60.- Ш.- P.3025-3028.

24. Melo W.S., Sanf Anna M.M., Santos A.C.F., Sigaud G.M., Montenegro E.C. Electron loss and srngle and double capture of C{ +} and 0{5+} /ons in coll/s/ons w/th noble gases H Phys. Rev. A.- 2006.- V.60.- №.2.- P. 1124-1134.

25. Никулин В.К.\Гущина H.A. Теоретическое изучение процессов перезарядки и возбуждения при столкновениях между Не{+! и С{5+}, N{6+!, 0{7+} водородоподобными ионами // ЖТФ.- 2007.- V.74.- №12.- Р.32-39.

26. Mart/nez Н., Puentes В.Е., Alvarez I., C/sneros С., de Urqu/jo J. Single and double electron capture in on Kr coll/s/ons at low-keV energ/es // Chem. Phys.-2006.- V.190.- №1.- P. 139-143.

27. Hasan A.A., EissaF., А1/ R. State-select/ve charge transfer stud/es relevant to solar wmd-comet znteract/on // The Astrophys/cal Journal.- 2001.- V.560.- P.L201-L205.

28. Pre'mont F., Bedouet C., Chesnel J. Y., Merabet H., and Husson X. Exper/mental ev/dence for d/electron/c exc/tat/on producing Ne К vacanc/es in35.keV N/T+Necoll/s/ons // Phys. Rev A.- 1996. 54,- № 6,- P.4609-4612.

29. Pre'mont F., Laurent G., Rangama J., Sbboc/nsk/' P. Tar/'s/'en M. at all Electron capture in coll/s/ons of slow hzghly charged /ons w/th an4 atom and a molecule: processes and^agmentat/on dynamz'cs // Int. J. Mol. Sci- 2002.- V.3.- P.115-131.

30. Z)/ez Mu/'no R., £al/n A. Auger and rad/'at/'ve filling rates o/'h/ghtly charged /ons below metal sui/aces //Phys. Rev A.- 1998.- V.57.- № 2,- P. 1126-1135.

31. Васецкая H.O., Кулов M.A., Иванов» B.K., Харченко В.А. Резонансные явления в радиационном и Оже-распаде многозарядных ионов // XXXIII Неделя науки СПбГПУ: материалы НТК. 2004. - Ч./V. - С. 112-114.

32. Васецкая H.O., Иванов В.К. Резонансные распады дважды возбужденных состояний ионов кислорода и углерода // Политехнический симпозиум: сборник тезисов. 2005. - 4.5. - С.98-99.

33. Васецкая Н.О., Иванов В.К. Радиационные распады многозарядных высоковозбужденных ионов // Материалы X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. 2006. - С. 124-125.

34. Васецкая Н.О., Иванов В.К., Харченко В.А. Радиационные распады дважды возбужденных состояний ионов кислорода, углерода и азота // XXXV Неделя науки СПбГПУ: материалы НТК,- 2006. 4.V. - С. 115-117.

35. Moretto-Capelle P., Bordenave-Montesqu/eu D., Bordenave-Montesqu/'eu A. Dissociative double capture in 1808++C02 coll/s/ons // J. Phys. B. At. Mol. Opt. Phys.- 2000:- V.33.- P.L735-L742.

36. Ландау, Л.Д., и Лившиц, E.M. Курс теоретической физики. Т.///. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Наука. 1974. - 808с.

37. Мессиа А. Квантовая механика. М.: Наука. 1978. - 478с.

38. Pock V.A. Naherungsmethode zur Losung des quantenmechan/schen Mehrkorperproblems // Z.P.Phys.- 1930.- V. 61.- P. 126-148.

39. Hartree D.R. The wave mechan/cs of an atom w/th no coulomb central field И Proc.Camb.Ph/l.Soc.- 1928.- V.24.- P.89-111.

40. Хартри Д. Расчеты атомных структур.- М.: ИЛ, 1962.- 271с.

41. Слэтер Д. Методы самосогласованного поля для молекул и твердых тел.- М.: Мир, 1978.- 658с.

42. Amus/'a М. Ya., /vanov V.K., Cherepkov N.A., Chernysheva L.V. /nter/erence Effects in Photo/on/zat/on of Noble Gas Atoms Outer s-Subshells // Phys.Lett. -1972.-V.40A.,P.361-362.

43. Амусья М.Я. Атомный фотоэффект. M.: Наука, 1987. - 243 с.

44. Абрикосов, А.А., Горьков, Л.П., Дзялошинский, И.Е. Методы,теории поля в статистической физике. М.: Физматгиз. 1962. - 466 с.

45. Давыдов А.С. Квантовая механика. М.: Гос.изд-во физ.-мат.л. 1963. - 648 с.

46. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров: М.: Физматгиз, 1963. - 640 с.

47. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. М.: Высш. Шк. 1961. - 512 с.

48. Амусья М.Я., Чернышова Л.В. Автоматизированная система исследования структуры атомов. Л.: Наука. 1983. -201 с.

49. Amus/a M.Ya., Cherepkov N. A. Many-electron correlat/ons in scatter; ng processes. // Case Studies in Atom/'c Phys/'cs. 1975. - V.5. - №.2. - P.47-179.

50. Амусья М.Я., Иванов В.К., Шейнерман C.A., Шефтель С.И. Проявление перестройки электронных оболочек атомов в процессах ионизации. // ЖЭТФ. 1980. - в.З. - Т.78. - С.910-923.

51. Амусья М.Я., Иванов В.К. Межоболочечное взаимодействие в атомах. // Успехи Физических Наук. 1987. - в.8. - Т. 152. - С. 185-230.

52. Кондон Е., Шортли Г. Теория атомных спектров.- М.: ИЛ. 1949.- 440 с.

53. Дайсон Ф. Новейшее развитие квантовой электродинамики. М.: ИЛ. 1954. -396 с.