Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому исследованию процесса нерезонансного комптоновского рассеяния фотона электронами атома и атомного иона, когда энергия падающего фотона превышает энергии порогов ионизации оболочек атомов.
Для достижения поставленной цели развиты соответствующая многочастичная нерелятивистская квантовая теория и методы расчета спектров нерезонансного комптоновского рассеяния фотона свободным многоэлектронным атомом и атомным ионом.
Актуальность темы. Исследование процесса нерезонансного комптоновского рассеяния фотона такими многоэлектронными системами как атом с открытой оболочкой или многозарядный атомный ион широко востребованы современной фундаментальной и прикладной физикой. Так, результаты расчета абсолютных значений и формы сечений комптоновского рассеяния фотона для атома с открытой оболочкой и многозарядного атомного иона могут быть использованы при интерпретации результатов будущих экспериментов, проводимых с использованием рентгеновского лазера.
До настоящего времени в мировой научно-исследовательской практике при квантовомеханических расчетах спектров нерезонансного комптоновского рассеяния традиционно использовали приближение некогерентной функции рассеяния и импульсное приближение [1], а также их обобщения [2,3]. Эти приближения определены, в частности, при условии г| = qa0 /Z »1 (здесь q - модуль вектора переданного атому (иону) импульса,
ао - радиус Бора и Z - заряд ядра). Столь сильное ограничение приводит к формальной неприменимости этих приближений в широких и интенсивно исследуемых современной физикой областях энергий и углов рассеяния рассеиваемого фотона. Так, например, для атома Zn при исследуемой в диссертации энергии падающего фотона 14.93 кэВ указанные приближения становятся существенно некорректными. Более того, в указанных приближениях волновая функция є/ -электрона сплошного спектра рассматривается в виде плоской волны [4]. Тем самым как в импульсном приближении, так и в приближении некогерентной функции рассеяния игнорируются не только факт бесконечной /-мультипольности (/ от 0 до оо) физически различных одночастичных s/ состояний рассеяния, но и не учитывается фаза рассеяния. Последнее обстоятельство означает игнорирование одного из важнейших многочастичных эффектов, существенно определяющих теоретические абсолютные значения и форму спектров нерезонансного комптоновского рассеяния, -эффекта радиальной (^локализации состояний сплошного спектра [5] в поле остовных вакансий.
Таким образом, представляется актуальной разработка вне рамок приближения некогерентной функции рассеяния и импульсного приближения квантовомеханических методов расчета спектральных характеристик процесса нерезонансного комптоновского рассеяния фотона многоэлектронным атомом с открытой оболочкой в основном состоянии и атомным ионом.
Исследование данной проблемы составило основную цель диссертации и потребовало решения следующих основных задач:
разработки нерелятивистского варианта многочастичной квантовой теории процесса нерезонансного комптоновского рассеяния фотона свободным многоэлектронным атомом с открытой s, р или d оболочкой остова вне рамок импульсного приближения и приближения некогерентной функции рассеяния;
выявления роли эффектов радиальной релаксации и межоболочечных корреляций при нерезонансном комптоновском рассеянии фотона атомом;
установления динамики сечений нерезонансного комптоновского рассеяния фотона многоэлектронным атомом в последовательности элементов таблицы Менделеева с заполняющейся Зй?-оболочкой остова;
теоретического описания угловой и энергетической зависимости дифференциальных
сечений нерезонансного комптоновского рассеяния фотона при переходе от атома к его
изоэлектронным бериллиеподобным и неоноподобным последовательностям.
Выбор объектов исследования. В качестве объектов теоретического исследования выбраны атомы с So термом основного состояния (Be, Ne, Аг и Zn), атомы с открытой в основном состоянии Зй?-оболочкой (Ті, Fe), ряд бериллиеподобных (О , Mg ) и неоноподобных (Si , Аг ) атомных ионов.
Выбор атомов инертных газов, обладающих сферической симметрией основного состояния, обусловлен тем, что их исследование позволяет выделить роль многочастичных эффектов в исследуемых процессах без учета влияния, например, твердотельных эффектов. Выбор атома цинка обусловлен тем обстоятельством, что Zn - простейший элемент таблицы
Менделеева с заполненной Зй?-оболочкой и S0 термом основного состояния.
Атомы с открытой оболочкой Ті и Fe взяты с целью демонстрации динамики сечений в последовательности элементов с заполняющейся Зй?-оболочкой при нарушении сферической симметрии многоэлектронной системы. Изменение электростатического потенциала при переходе от атома к его многозарядному иону позволяет получить дополнительную информацию о влиянии многочастичных эффектов на исследуемые спектры.
Научная новизна. Все результаты и выводы, которые легли в основу положений, выносимых на защиту, обладают научной новизной, что нашло отражение в оригинальных публикациях автора [А1-А12]. В частности, впервые:
вне рамок импульсного приближения и приближения некогерентной функции рассеяния установлена аналитическая структура дважды дифференциального сечения нерезонансного комптоновского рассеяния фотона атомом с открытой оболочкой в основном состоянии;
установлена роль эффектов радиальной релаксации и межоболочечных корреляций в определении абсолютных значений и формы дважды дифференциального сечения нерезонансного комптоновского рассеяния фотона атомом;
дана физическая интерпретация динамики спектров комптоновского рассеяния фотона при переходе от атома к его изоэлектронной последовательности
Научная и практическая ценность. Полученные в диссертации результаты носят предсказательный характер и в дальнейшем могут быть использованы при интерпретации результатов будущих экспериментов по исследованию комптоновского рассеяния. Так, например, результаты расчета абсолютных значений и формы сечений комптоновского рассеяния фотона для атома с открытой оболочкой и многозарядного атомного иона найдут свои приложения в истолковании результатов дальнейших экспериментов, проводимых с использованием рентгеновского лазера на свободных электронах (энергия падающего на атом фотона от 0.20 до 12 кэВ) [6].
-
Комптоновское рассеяние фотона атомом сопровождается рождением физически различных состояний сплошного спектра бесконечного набора /-симметрии. Совокупность лидирующих симметрии (/ є [0; /max < со) ) определяется исследуемыми областями энергий фотонов и углов.
-
В представлении смешивания конфигураций развит математический формализм, позволяющий учитывать межоболочечные корреляции при комптоновском рассеянии фотона атомом. На примере атома Аг получено, что при энергиях падающего фотона 5 и 10 кэВ и для углов рассеяния от 60 до 120 эффект межоболочечных корреляций
изменяет полное дважды дифференциальное сечение комптоновского рассеяния одноконфигурационного приближения Хартри-Фока на ~ 1 - 3 %.
-
С увеличением заряда ядра иона Be- и Ne-подобной изоэлектронной последовательности при фиксированных значениях энергии падающего фотона и угла рассеяния дифференциальное сечение комптоновского рассеяния уменьшается. При этом уменьшение интенсивности комптоновской компоненты сопровождается увеличением интенсивности томсоновской и рэлеевской компонент суммарного сечения рассеяния.
-
Учет эффекта радиальной релаксации электронных оболочек в поле остовных вакансий приводит к уменьшению абсолютных значений дифференциального сечения комптоновского рассеяния фотона атомом, рассчитанных на одноэлектронном базисе конфигурации основного состояния. Вместе с тем, переход от атома Ne к его изоэлектронной последовательности приводит к уменьшению влияния эффекта радиальной релаксации на вероятность комптоновского рассеяния. Этот результат обусловлен, прежде всего, эффектом стабилизации глубокой вакансии остова при увеличении заряда ядра иона.
Личный вклад автора в диссертационную работу. Лично автором разработана основная часть методик учета многочастичных эффектов, выполнено большинство конкретных расчетов спектров нерезонансного комптоновского рассеяния и получены основные результаты исследований, представленные в диссертации.
Постановка задач исследований, анализ и обсуждение полученных в диссертации результатов, формулировка основных выводов и положений, выносимых на защиту, выполнены под руководством Надолинского A.M. и при научных консультациях Хоперского А.Н.
Апробация работы. В реферируемых отечественных и зарубежных изданиях опубликовано 9 статей общим объемом 6.16 печатных листов. Основные результаты диссертации доложены и опубликованы в материалах следующих конференций:
-
Всероссийская научно-практическая конференции «Транспорт-2010» (Ростов-на-Дону, Россия, 2010).
-
Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Владивосток, Россия, 2010).
-
Всероссийская научно-практическая конференции «Транспорт-2011» (Ростов-на-Дону, Россия, 2011).
Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 3-х глав, Заключения, изложена на 105 страницах машинописного текста, включая 14 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 85 наименований.
