Введение к работе
-, Современные экспериментальные исследования атомов и мно--— гоаарядных ионов, как правило, требуют предварительных высокоточных теоретических данных о спектроскопических константах изучаемых систем. Для адэкватного описания реальных атомных систем теоретические расчеты должны корректно учитывать электронные корреляции, релятивистские и квантовоэлектродина.мическив эффекты, а также эффекты конечного размера ядра. На протяжении более шести десятилетий происходит постоянное совершенствование методов атомных расчетов, а также разработка новых подходов к проблеме теоретического изучения атомов.
Традиционным объектом спектроскопических исследовании является уровни энергий многозарядных яонов. Задача определения энергетических уровней не утратила своей актуальности и на современном этапе, в особенности это касается тяжелых атомных систем, а также высоковозбужденных состояний ионов с небольшими и средними зарядами ядер.
В настоящее время в связи с прикладными проблемами больнее значение имеют расчеты скоростей элементарных процессов, происходящих с участием ионов, а именно, процессов радиационных и безрадиационных (автононнзациотшх) распадов возбужденных состояний, днэлектронной рекомбинации, столкновнтечышх гоэбужденнй н ионизации, фотоионизацин, перезарядки и т.д.
Цкогочислешше прикладные/исследования, требующие болыло-го объема информации о спектроскопических константах многоза -рядных ионов, можно условно разделить не три основных направления: термоядерный синтез, астрофизика, разработка новых лазеров, в частности, изучение возможности создания лазеров в млг- кой рентгеновской области на переходах между уровнями кногоза-рядных ионов плазмы.
В последнее время в связи с применением в атомной физике ускорителей, а также благодаря увеличении мощности и улучшение качества лазерного излучения в атомной спектроскопии и, в част ности, о спектроскопии высокозарядных ионов появляется норое физическое содержание, которое связано: I) с изучением все более энергетпчиых процессов, 2) с повышением точности измерений, 3) с возможностью селективного воздействия на процессы сильными внешними полями (с напряженностью порядка атомной). В атом-
ной физике становится обычной постановка задачи исследования тонких электродинамических эффектов, эффектов слабого взаимодействия электрона с ядром и эффектов ядерной динамики. Появления новых экспериментальных и теоретических идей следует ожидать, прежде всего, в физике тяжелых и сверхтяжелых атомов и их ионов.
Электродинамические поправки (собственно-энергетическая часть и поляризация вакуума) к энергиям переходов с участием К и L -электронов, а также эффекты конечности ядра при больших Z ^>> 80 составляют величины порядка энергии связи ва -лентных электронов. Следовательно,их учет принципиален при определении набора энергетически разрешенных каналов распада состояний с вакансиями во внутренних оболочках и предсказания полной кинетики распада. Только прецизионный расчет энергий К- и L -электронов может адекватно описать ситуации в этом случае. Естественно, для планирования новых экспериментов и для извлечения полноценной информации из экспериментальных наблюдений необходим соответствующий уровень теоретических разработок. Спецификой атомной теории является то, что здесь базой для качественного анализа явлений, материалом для интуитивных построений являются результаты аккуратного численного расчета некоторых ключевых характеристик атомов или процессов. Результаты таких расчетов играют в атомной физике роль, сравнимую с ре -зультатами фундаментального эксперимента. В то же время, традиционные методы расчета к настоящему времени практически исчерпали себя. Решение качественно новых задач или значительное уточнение расчетов связано с некоторыми принципиальными недостатками традиционных методо*..- -и простое улучшение вычислительной техники вряд ли приведет к заметному прогрессу в этой об -ласти. Последнее замечание относится не, только к многоэлектрон-иым системам, но и к водородоподобным ионам тяжелых атомов.
Целью .работы является I) развитие методов теоретического изучения физических характеристик многоэлектронных атомов и ионов ; задачей диссертации является усовершенствование этих ме тодов и реализация их в виде комплексов алгоритмов и программ. Работа также ставит своей целью создание специального математи ческого обеспечения в виде взаимосвязанной универсальной систе мы программ, обеспечивающих проведение массовых расчетов спект ральных характеристик многозарлдных ионов и атомов всей перио
дической системы элементов в различных приближениях, основанных на использовании в качестве нулевого приближения релениЯ уравнения Дирака с модельным потенциалом нулевого приближения.
-
Исследование роли электронных корреляций в ионах различных изоэлектронных последовательностей.
-
Изучение спектральных характеристик дискретных и азто-ионизационных состояний многозарядных ионоз ряда изоэлектронных последовательностей, имеющих важное значение для современных экспериментальных исследований. Проведение критического сопоставления вдоль изоэлектронных последовательностей теоретических результатов настоящей работы и экспериментальных данных, что позволяет одновременно оценивать достоверность экспериментальных измерений по разбросу экспериментальных точек и качество теоретических предсказаний - по абсолютной величине отклонения теоретической кривой от кривой, проведенной через экспериментальные точки.
-
Разработка теоретических методов изучения квантово -электродинамических эффектов в атомах, а также эффектов, обусловленных объемом ядра. Создание программы расчета функции Грина уравнения Дирака с произвольным центрально-симметричниы потенциалом и комплексной энергией.
-
Разработка программы расчета собственно-энергетической части сдвига Лэмба в атомах с произвольным центральносюядетркч-КШІ потенциалом.
Показать работу программы для частного примера водородопо-добного иона с конечным объемом ядра, заряд которого Z =100.
Научная новизна. Несмотря на обилие методов расчета атомных констант и, в частности, методов, основанных на модельных потенциалах, разрабатываемый в диссертации метод является уникальным в том смысле, что он базируется на формально точной электродинамической теории возмущений. Волновая функция одного электрона им одной вакансян над лобым остовом может определяться о. ртсохі ; однако в расчетах систем с несколькими явазичаетицами (электронами над остовом для вакансиями в осто-еэ) используются точные одночасткчные энергии, метод представляет собой альтернативу методам самосогласованных полей, и во ииогих случаях представляет дополнительную информацию, позволяющую правильно интерпретировать эксперимент.
В работе представлены уровни энергий для каждого иона десяти изоэлектронных последовательностей. Значительная часть этих результатов получена впервые ; в особенности это касается данных для высоких зарядов ядра и высоколежащих состояний.
Предшествующие расчеты вероятностей 3-3-переходов в We -подобных ионах предсказывали наиболее высокие скорости для 2/^V '*%-2-рзт. 1. и ^V^'"*~/,-5i '/] переходов. На этих npej сказаниях основывалась значительная часть дорогостоящих экспериментальных работ по исследованию эффекта лазерного усиления плазме. В диссертации впервые показано, что скорости указанны; переходов не являются самыми большими ; этот расчет объяснил отсутствие сильного лазерного эффекта на этих переходах в экс периментах /I/ при столкновительной накачке рабочих уровней. ПроведенныЯ критический анализ предшествующих и настоящего р счетов указал на причину столь сильного расхождения теоретиче ских данных для скоростей 3-3 переходов в Ле. -подобных ио нах.
Выполненные в диссертации расчеты 3-3 и 2-2 переходов по
волили впервые предсказать, что наиболее перспективными с точ
зрения лазерного эффекта являются внутриоболочечные, т.е. 2-
переходы. Длина волны 2,b&[V^i]-*Zpi/zbS[^х\] в =-2 + 2,5
раза короче длины волны Zp3p - 2/*3& переходов, при этой скс
рость на порядок выше скорої
ти самых сильных 3-3 переходов.
В диссертации впервые предсказывается эффект сильного в; имодействил уровней одной четности при определенных зарядах і pa (там, где эти уровни максимально сближаются при изменении вдоль изоэлектронной последу"тельности). (Этот эффект мох приводить к появлению больших (до нескольких порядков) экстр муыов в функциях вероятностей переходов от заряда ядра.
В диссертации впервые представлены упрощенные синтетиче спектры диэлектронных сателлитов х резонансным переходам в г подобных ионах. Показано, что они имеют принципиально различ вид для случаев ударного и рехомбинационного механизмов засе ния. Демонстрируется сильная зависимость спектров диэлектроь сателлитов от элехтронной плотности для случая ударного мехг ма заселения.
В диссертации предлагается оригинальный способ расчет» изотопических сдвигов и констант сверхтонкого взаимодействиі
суть которого заключается в тон, чтобы для определения указанных характеристик рассчитывать производные этих характеристик по радиусу ядра.
Развита новая вычислительная процедура расчета функций Грина уравнения Дирака с комплексной энергией. В частности, при расчете собственно-энергетического сдвига атомных уровней поннлается размерность вычислительной процедуры. Причем метод не связан с конкретный видом потенциала. Следует отметить,что трудности, связанные с традиционными вычислительный!! подходами, носят такой характер, что они вряд ли разрешимы простым увеличением модности компьютеров. Подход, развиваете в диссертации, существенно расширяет круг численно решаемых задач на совремегашх компьютерах (а именно, возможно изучение различных состояний различных ионов, сечений, столкновений,скоростей распада атомно-ядерных систем).
Практическое значение. Развиваемый диссертации метод в принципе пригоден для расчетов практически любых атомных констант я для исследования различных эффектов в атомах и многозарядных ионах.
Больсим практическим преимуществом метода является его экономичность (что достигается за счет использования точных одночастичных энергий при построении модельного потенциала). Высокая экономичность позволяет проводить расчет сразу для всей изоэлектронной последовательности. Такой расчет уровней энергий по многих случаях может непосредственно использоваться для отождествления экспериментальных энергий переходов.
Расчет вдоль изоэлектронных последовательностей во многих случаях позволяет судить о качестве экспериментальных измерений.
Представленные в диссертации данные по вероятностям 2-2 и 3-3 переходов в л/е -подобных ионах могут непосредственно использоваться в кинетических уравнениях для расчета коэффициентов усиления в различных схемах накачки рабочих уровней. В этих se уравнениях в принципе необходимо учитывать и процессы диэ-лектронной рекомбинации на we-подобных ионах. В диссертации исследуется спектры диэлектрошшх сателлитов, иэ которых непосредственно вычисляются скорости диэлектронной рекомбинации Для -подобных ионов. В диссертации расчет проведен для Z » I?, 18, 22, 47, однако эти константы можно рассчитать по имею-
цішся программам для любого Z ).
Современные экспериментальные исследования энергий переходов в тяжелых многозарядных ионах 92>Z>70 для Li-yP^fVc Со-,/Jt-,^«-подобных и т.д. выполнены с точностью, достаточной для определения из эксперимента вклада собственно-энергетической части сдвига Лэмба. Для этого теоретический результат представляется в виде суммы вкладов всех существенных для данного иона эффектов, каждый из которых должен быть рассчитан ( определенной точностью. Что касается вклада собственно-энергетической части сдвига Лэмба, то во всех современных работах о» определяется не непосредственным расчетом для конкретного иона, а находится из водородоподобных данных Мора /2,3/ путем подстановки некоторого экранировочного заряда, призванного опі сывать вклад оболочки остова в лэмбовский сдвиг. Разработка ві числительной процедуры и создание программы, позволяющей непо средственно вычислять собственно-энергетическую часть для любого состояния и любого центрально-симметричного потенциала представляет большую практическую ценность. Благодаря ей становится возможным непосредственное тестирование ваанейших КЗД эффектов (в т.ч. ыногочастичных КЭД эффектов) из экспериментальных энергий переходов в тяжелых многозарлдных ионах с несколькими электронами.
Основные, „долоуения у ^выносимце „.на^зади.'Еу
1. Разработан теоретический аппарат для изучения физических
свойств электронных оболочек атомов, основанный на реляти
вистской Теории ВОЗМуЩеНИЙ С НОДеЛЬНЫМ ПОТеНЦИаЛОМ НУЛЄВО'
го приближения. Созданы вычислительные программы, реализуі щие расчеты уровней энергий, вероятностей радиационных и безрадиационных распадов атомных систем с одной, двумя и тремя квазичастицами над заполненными оболочками.
-
Исследованы эффекты конечного радиуса ядра в прецизионных расчетах спектров И- и Li -подобных ионов. Разработан ори нальный метод изучения изотопических и сверхтонких эффехт Рассчитаны константы сверхтонкого взаимодействия в//- и L подобных ионах, включая сверхтяжелые ионы.
-
Сформулирован регулярный метод учета вклада корреляционнь эффектов как поправок высших порядков теории возмущений.
о полнен расчет уровней энергий изоэлектронных последовате;
ностей лития, фтора, неона, магния, железа, кобальта, меди, цинка.
-
В изоэлектронной последовательности неона исследована природа резонансного перераспределения сил осцилляторов при определенных значениях зарэда ядра. Для этой же последовательности рассчитаны радиационные времена жизни состояний и вероятности переходов между ними.
-
Выполнено моделирование "синтетических" спектров диэлект-ронных сателлитов к резонансным 3-2 переходам bs/є -подобных ионах. Показано, что "синтетические" спектры имеют принципиально различную структуру в зависимости от способа заселения автоионизационных состояний л/&-подобных ионов.
-
Разработана вычислительная процедура и создана программа построения функции Грина уравнения Дирака с центрально-симметричным потенциалом и комплексной энергией. Рассчитана высокоэнергетическая часть собственно-энергетической поправки сдвига Лэмба.
