Введение к работе
Актуальность работы. Диссертация посвящена теоретическому исследованию процессов столкновения высоковозбужденных атомов с нейтральными частицами, уширения спектральных линий ридбергов-ских серий и электрон-ионной рекомбинации через сильновозбужденные уровни. В лабораторных условиях высоковозбужденные атомы возникают в результате ряда процессов, протекающих в газовых разрядах и ударных трубах, в плазме, образующейся при воздействии на газ электронного пучка или электромагнитного излучения. Широкое распространение для создания и изучения атомов в ридберговских состояниях получили различные методы фотовозбуждения атомных пучквв и атомов в разреженных газовых кюветах и микроволновых резонаторах. Во многих практически важных случаях процессы столкновения с участием высоковозбужденных атомов определяют скорости релаксации электронного возбуждения, ступенчатой ионизации атомов и рекомбинации электронов с ионами, интенсивности и ширины спектральных линий в газе и плазме. Поэтому исследования в этой области представляют значительный интерес для спектроскопии, диагностики и кинетики газов и плазмы, а также для ряда связанных с этим вопросов лазерной физики (например, в связи с изучением механизмов формирования активных сред газовых лазеров и для лазерного разделения изотопов). Важную роль процессы с участием ридберговских атомов играют в межзвездных облаках и планетарных туманностях, в астрофизической плазме и в верхних слоях атмосферы.
С фундаментальной точки зрения исследование указанных процессов представляет собой одну из актуальных проблем атомной физики и теории столкновений. Физические механизмы таких процессов недостаточно изучены, а их характерные скорости существенным образом отличаются от случая атомов в основном или слабовозбужденном состояниях. Это связано со специфическими свойствами ридберговского атома, один из электронов которого находится в состоянии с большим значением главного квантового числа п>1. Поэтому ридберговские атомы имеют большие размеры гп ~ п2щ и периоды Тп ~ 2жп uq/vq обращения внешнего электрона вокруг атомного остатка, а их потенциалы ионизации 1п ~ Ry/n2. и частоты переходов между соседними уровнями шп,п±і * 2Ryfhn3 малы в обычном атомном масштабе (а0 -
боровский радиус, vq - атомная единица скорости, Ry- постоянная Рид-берга). Они характеризуются большим числом близкорасположенных состояний, энергия Eni — ~Ry/(n — 5;)2 которых отличается от случая атома водорода лишь наличием квантового дефекта Si. Ридберговские атомы имеют большое радиационное время жизни, высокие сечения поглощения длинноволнового излучения и оказываются чрезвычайно чувствительными к воздействию внешних возмущений и полей. Эффективные сечения их столкновений с нейтральными и заряженными частицами являются аномально высокими и, как правило, на несколько порядков величины превышают соответствующие сечения для невозбужденных атомов. В силу принципа соответствия ридберговский атом (п 3> 1) проявляет не только чисто квантовые, но и классические свойства. Соответственно, многие традиционные подходы и методы теории столкновений и атомной спектроскопии, развитые для невозбужденных частиц, оказываются неприменимыми или малоэффективными для анализа процессов с участием ридберговских состояний.
Интерес к изучению атомов в ридберговских состояниях возник еще в 30-х годах в связи с исследованием уширения и сдвига спектральных линий на переходах между слабо и сильновозбужденными уровнями. В 60-х - 70-х годах в этой области был получен ряд ключевых теоретических результатов. Со второй половины 70-х годов был достигнут существенный прогресс в экспериментальных исследованиях ридберговских атомов ц связи с разработкой методов их селективного фотовозбуждения с помощью перестраиваемых лазеров на красителях, чувствительных методов детектирования и лазерной спектроскопии высокого разрешения. Создание и регистрация атомов с заданными значениями квантовых чисел п, I и / позволили перевести исследования в области ридберговских состояний на качественно новый уровень. В настоящее время в лабораторных условиях удается получать и регистрировать атомы с главным квантовым числом вплоть до п = 1100. Типичные же значения п в экспериментах с атомами в газовых кюветах, микроволновых резонаторах и в атомных пучках составляют величины от 10 до 100. В результате интенсивных экспериментальных исследований за последние 15-20 лет был накоплен обширный материал по процессам с участием или образованием сильновозбужденных атомов и обнаружено много новых интересных эффектов, требующих объяснения и количественного описания. Это привело к существенной активизации
теоретических исследований и к возникновению ряда крупных самостоятельных направлений физики ридберговских атомов.
Цель работы состояла в исследовании столкновительных процессов, протекающих с участием или образованием атомов в высоковозбу-ждснных состояниях и в изучении их роли в спектроскопии и кинетике релаксации электронной и колебательной энергии в газе и плазме.
-
Это включало в себя развитие теоретических методов описания и изучение возможных механизмов неупругих переходов и ионизации высоковозбуждениого атома при столкновениях с нейтральными частицами. Особое внимание уделено здесь формулировке аналитических моделей, позволяющих установить зависимости вероятностей, сечений и констант скоростей процессов от квантовых чисел ридберговского атома, относительной скорости частиц или температуры газа, параметров взаимодействия и дефектов энергии переходов.
-
Цель диссертации состояла также з применении разработанных подходов к исследованию роли разнообразных неупругих и квазиупругих процессов в ударном уширении спектральных линий ридберговских серий и тушении высоковозбужденных уровней в инертных газах и в парах щелочных металлов. Помимо рассмотрения общих аспектов теории указанных процессов эта часть работы в значительной мере сориентирована на проведение расчетов для конкретных атомных систем, сравнение с экспериментом и на объяснение наблюдаемых эффектов.
3. Важным элементом работы было изучение новых механизмов
электрон-ионной рекомбинации через ридберговские состояния. Одна
из ключевых целей состояла здесь в рассмотрении эффективного резо
нансного механизма релаксации электронного возбуждения и в постро
ении кинетической модели рекомбинации электронов с атомарными ио
нами в плазме смеси инертных газов Не/Хе (Nxe <С -Уне)- Этот круг
вопросов тесно связан с развитием теории диссоциативной рекомбина
ции и.колебательной релаксации молекулярных ионов при столкнове
ниях с электронами и процессов автораспада ридберговских молекул.
Научная новизна работы состоит в постановке и решении ряда новых проблем в физике высоковозбужденных атомов и связанных вопросов уширения линий в газе и кинетики релаксации плазмы.
1. В исследованиях столкновений ридберговских атомов с нейтральными атомными частицами новым, в частности, является:
а) построение теории неуиругих переходов с изменением главного
квантового числа, переходов между компонентами тонкой структуры
и ионизации в модели квазисвободного электрона;
б) разработка аналитических методов описания возбуждения и иони
зации при рассеянии возмущающей частицы на ионном остове в рамках
квазимолекулярного подхода и модели встряхивания атома.
2. На основе развитых подходов проведены конкретные расчеты и
впервые изучен ряд явлений в уширении, тушении и ионизации рид-
бсрговских уровней в инертных газах и в парах щелочных металлов:
а) дано количественное объяснение наблюдаемой экспериментально
резкой зависимости ширин спектральных линий и скоростей тушения
от квантового дефекта о'/ уровня и главного квантового числа щ
б) установлена определяющая роль поляризационного взаимодействия
в тушении высоковозбужденных уровней в неоне п продемонстрировано
сильное влияние эгЬ'Ьекта Рамза*^эт>а на поведение сечений Hevnnvnrx
столкновений с атомами Аг, Кг, Хе; количественно описаны аномально
высокие скорости тушения и ширины линий в парах Li, Na, К и Rb.
3. В исследованиях рекомбинационных и релаксационных процессов
в неравновесной низкотемпературной плазме новым является:
а) постановка и решение задачи о резонансном девозбуждении энер
гии ридберговского атома в столкновениях с атомами буферного га
за и построение кинетической модели тронной рекомбинации с учетом
столкновений со свободными электронами и нейтральными частицами,
б) анализ диссоциативной рекомбинации и прямой диссоциации ге-
тероядерных ионов без пересечения электронных термов, а также ко
лебательного возбуждения высоких уровней электронным ударом.
Научная и практическая ценность работы в основном определяется актуальностью тематики и новизной рассмотренных задач.
Полученные результаты для столкновений ридберговских атомов с нейтральными частицами существенно расширяют традиционные представления о возможных механизмах неупругих переходов и ионизации. Развитые подходы и методы расчета сечений и скоростей процессов, индуцированных потенциальным или резонансным электрон-атомным рассеянием, позволили дать адекватное объяснение широкого круга наблюдаемых явлений, в уширении спектральных линий и тушении селективно возбужденных уровней в газах. Практически важ-
ньш представляется предложенный способ восстановления параметров низкоэнергетичных резонансов на квазидискретных уровнях отрицательных ионов из измерений сечений переходов между ридберговскпми уровнями. Достоверность разработанной теории тушения и ушнренпя линий подтверждена сравнением полученных на ее основе результатов с многочисленными экспериментальными данными.
Непосредственную ценность для проблемы релаксации энергии электронного возбуждения и ионизации атомов в газах имеют результаты работы по неупругим процессам с большими передачами энергии, которые обусловлены рассеянием возмущающей частицы на ионном остове. Проведенный анализ позволил выявить конкретные условия (области температур, значений главного квантового числа и переданной энергии), в которых вклад такого рода механизмов рассеяния является преобладающим. Результаты исследования процессов электрон-ионной рекомбинации представляют научную и практическую ценность для кинетики рекомбннационно-неравновесной плазмы, создаваемой электронным пучком или в газовом разряде. Важным представляется сделанный па примере плазмы смеси инертных газов вывод о том, что в широком диапазоне степеней ионизации и температур электронов столкновения с нейтральными частицами определяют скорости тройной рекомбинации. Построенная кинетическая модель успешно объясняет результаты экспериментов по измерению скорости рекомбинации плазмы послесвечения импульсного разряда смеси Не/Хе.
В целом результаты диссертации представляют непосредственную ценность для активно проводимых исследований в области атомной физики и спектроскопии высоковозбужденных состояний. Ряд полученных в ней результатов использован в теоретических н экспериментальных работах российских и зарубежных ученых.
Автор выносит на защиту:
-
Разработку теории неупругих столкновений высоковозбужденных атомов с нейтральными частицами и ее применение к изучению процессов передачи энергии, орбитального и полного угловых моментов и ионизации атома.
-
Анализ новых механизмов возбуждения, прямой и ассоциативной ионизации ридберговского атома, обусловленных рассеянием возмущающей частицы на атомном остатке и на квазисвободном электроне.
-
Результаты расчетов сечений и скоростей возбуждения, тушения и ионизации высоких уровней атомов водорода, инертных газов и щелочных металлов при тепловых столкновениях с невозбужденными
-
Анализ эффектов поляризационного взаимодействием внешнего электрона с атомами Ne, Аг, Кг, Хе, а также роли потенциального и резонансного рассеяния на щелочных атомах в процессах их кеупругих столкновений с высоковозбужденными атомами.
-
Развитие теории уширения линий ридберговских серий в газах в процессах неупругого рассеяния и ее применение к расчету ударных ширин в щелочных парах.
-
Теоретический анализ резонансного механизма тройной рекомбинации электронов с атомарными ионами в столкновениях с нейтральными частицами через ридберговские уровни. Формулировку и построение кинетической модели, объясняющей аномально высокие скорости рекомбинации плазмы смеси Не/Хе.
-
Построение квазиклассической модели электрон-динольных переходов и полученные на ее основе результаты для процессов столкновения сильновозбужденных молекулярных ионов с электронами, колебательной автоионизации и предпссоциащш ридберговских молекул.
Апробация работы. Работы, составившие основу диссертации, подытожены в монографии "Physics of Highly Excited Atoms and Ionsn [1], обзорной статье в журнале Physics Reports [2] и в трудах XVI Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений [Progress Report, Нью Йорк, 1989) [3]. Результаты работы были доложены на XX Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Вена, 1997), на заседаниях Американского физического общества (DAMOP 1996, DAMOP 1997), на IV Всесоюзном симпозиуме "Динамика элементарных атомно-молекулярных процессов" (Черноголовка, 1987), на X Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Ужгород, 1988), на Всесоюзном семинаре "Процессы ионизации с участием возбужденных атомов" (Ленинград, 1988). Статьи, вошедшие в диссертацию, систематически докладывались на научных семинарах в ФИАН, а отдельные аспекты работы в РНЦ Институте им. И.В.Курчатова, ИВТАН, Санкт Петербургском Университете, в Оксфордовском Университете и в Универси-
6 ;
тете штата Небраска (г. Линкольн, США). Основное содержание диссертации опубликовано в статьях, приведенных в конце автореферата (в порядке, соответствующем порядку изложения материала).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста и заключения. Общий объем диссертации - 262 стр., включая 63 рисунка и 5 таблиц. Список литературы содержит 289 наименований.
