Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СИЛЫ ОСЦИЛЛЯТОРОВ, ВЕРОЯТНО СТІГ ПЕРЕХОДОВ, РАДИАЦИОННЫЕ ВРШЕНА ЖИЗНИ УРОВНЕЙ В СПЖТРАХ АТОМОВ И ГОНОВ.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Основные достижения в экспериментальном и теоретическом определении сил осцилляторов линий, вероятностей переходов и радиационных времен жизни уровней
1.2. Применения метода Хартри-Фока и кулоновского приближения к расчету сил осцилляторов, вероятностей переходов и радиационных времен жизни уровней атомов
Глава 2. МЕТОД ЭФФЕКТИВНОГО ОРБИТАЛЬНОГО КВАНТОВОГО ЧИСЛА
2.1. Нерелятивистский вариант метода эффективного орбитального квантового числа
2.2. Релятивистское обобщение метода эффективного орбитального квантового числа
2.3. Функция Грина уравнения Дирака с нелокальным модельным потенциалом
2.4. Выводы и результаты
Глава Ш.
3.1. Основные положения метода промежуточной связи
3.2. Вычисление относительных сил осцилляторов линий в спектрах ряда первых ионов группы железа
3.3. Расчет вероятностей переходов в спектре атома неона 123
3.4. Выводы и результаты 135
Глава ІУ. ВЫЧИСЛЕНИЕ СИЛ ОСЦИЛЛЯТОРОВ, ВЕРОЯТНОСТИ ПЕРЖОДОВ И РАДИАЦИОННЫХ ВРМЖ ЖИЗНИ УРОВНИ В СПЕКТРАХ РЯДА АТОМОВ И ИОНОВ
ЭЛЕМЕНТОВ І-ІУ И УІ-УШ ГРУПП ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСШИ Д.И.МЕНДЖЕЕВА 136
4.1. Радиационные времена жизни уровней атома и ионов изоэлектронного ряда натрия и атомов калия, рубидия, цезия 138
4,1,1. Радиационные времена жизни уровней атома и ионов изоэлектронного ряда натрия 139.
4.Г.2. Радиационные времена жизни уровней атомов К 167
4.1.3. Выводы и результаты 179
4.2. Силы осцилляторов линий и радиационные времена жизни уровней в спектрах ряда атомов
П и Ш групп 180
4.2.Г. Силы осцилляторов линий резкой серии в спектрах атомов элементов П группы 181
4.2.2. Радиационные времена жизни возбужденных состояний атомов цинка и кадмия 189
4.2.3. Алюминий, галий, индий, таллий. Силы осцилляторов линий, времена жизни уровней 200
4.2.4. Выводы и результаты 215
4.3. Силы осцилляторов резонансных линий в спектрах ряда атомов и изоэлектронных им
ионов элементов ІУ и УІ групп 216
4.3.Г. Силы осцилляторов резонансных линий в спектрах атомов ІУ группы и изоэлектронных
им ионов 218
Глава 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ" ИЗМЕНЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ВРЕМЕН ЖИЗНИ УРОВНЕЙ АТОМОВ И ИОТЮВ 387
5.1. Распределение радиационных времен жизни возбужденных состояний в спектрах
атомов и ионов 388
5.2. Квазиклассическая формула для радиационных времен жизни возбужденных состояний атомов и ионов 394
5.3. Выводы и результаты 400
Глава 6. К РАСЧЕТУ ШТАРКОВСКИХ СМЕЩЕНИЙ УРОВНЕЙ И ПОЛЯРИЗУЕМОСТИ АТОМОВ 401
6.1. Штарковские смещения -уровней атомов аргона, криптона и ксенона 403
6.2. Метод построения полной системы базисных функций на основе штурмовских разложений самосогласованного поля Хартри-Фока 411
6 6.3. Выводы и результаты 418
Заключение 419
ЛИТЕРАТУРА 4
Введение к работе
Актуальность работы. Вероятности переходов и радиационные времена жизни принадлежат к числу важнейших фундаментальных атомных констант. Знание этих радиационных характеристик необходимо при решении целого ряда задач теоретической и прикладной спектроскопии.
В последние 15 лет повсеместно как у нас в стране, так и за рубежом резко возросло число работ по атомной тематике. После периода спада интенсивности научных исследований по атомной спектроскопии, имевшего место во второй половине 30-х годов, начиная с 60-х годов происходит возрождение интереса к работам по изучению спектров атомов и ионов. Причин этому возрождению несколько: интенсивные плазменные исследования, развитие космической и атмосферной спектроскопии и, несомненно, потребности лазерных разработок. Задачи практики настоятельно требуют более глубоких знаний о структуре спектров атомов и ионов, о важнейших атомных спектроскопических постоянных, таких как вероятности переходов, времена жизни уровней и т.п.
Знание радиационных атомных констант необходимо:
1) при проведении спектроскопических исследований в низко- и высокотемпературной плазме, определении концентрации элементов, температуры плазмы, изучения кинетических процессов, протекающих в плазме;
2) при поисках новых атомных систем с инверсной заселенностью, выяснении механизма процессов, протекающих в лазерах, получении максимальной мощности и КПД лазера;
3) при астрофизических спектроскопических исследованиях определении концентрации элементов на Солнце и других космических объектах, объяснении физических процессов, протекающих в звездах;
4) для дальнейшего развития теории атома и совершенствования методов расчета атомных спектров, повышения точности расчета спектроскопических постоянных.
В настоящее время во многих спектроскопических лабораториях ряда развитых стран проводится интенсивное изучение радиационных переходов в спектрах атомов и ионов. Создаются центры по сбору информации о радиационных атомных константах с их критическим анализом и отбором наиболее достоверных данных.
Цель, задачи и методы исследования. Диссертация посвящена теоретическому изучению радиационных переходов в спектрах атомов и ионов, получению достоверных данных по радиационным константам (силам осцилляторов, вероятностям переходов, временам жизни уровней) для большого числа атомов и ионов элементов І-ІУ и УІ-УШ групп периодической системы Менделеева.
В числе основных задач диссертации были: разработка новых и развитие существующих методов расчета спектров сложных атомов и ионов, нахождение критериев, которые позволили бы проводить расчет радиационных атомных констант с высокой точностью, выявление общих закономерностей изменения радиационных констант для индивидуальных атомов, для гомологичных атомов одной подгруппы и для ионов изоэлектронных последовательностей.
Основными методами изучения радиационных переходов в спектрах сложных атомов и ионов были: метод Хартри-Фока, метод промежуточной связи в одно- и многоконфигурационном приближениях, метод кулоновского приближения, метод эффективного орбитального квантового числа в нерелятивистском и релятивист - 9 ском приближениях, метод штурмовских разложений самосогласованного поля Хартри-Фока.
Новизна» научная и практическая значимость работы. Научная новизна работы состоит в следующем. В работе впервые получены достоверные значения сил осцилляторов линий, вероятностей переходов, радиационных времен жизни уровней для большого числа атомов и ионов различных групп периодической системы. Впервые решена задача получения достоверных сведений о радиационных временах жизни для любых дискретных состояний валентного электрона атома и ионов изоэлектронного ряда натрия (вплоть до иона М xyii/ ), атомов калия, рубидия, цезия и неона. Изучено влияние поляризации остова на радиационные времена жизни уровней атомов первой группы. Изучены закономерности изменения радиационных времен жизни уровней атомов и ионов. Впервые получена квазиклассическая формула, позволяющая получать достоверные оценки радиационных времен жизни возбужденных состояний атомов и ионов. Разработан метод эффективного орбитального квантового числа в нерелятивистском и релятивистском приближениях. Ддн критерий применимости эффективного одноэлек-тронного приближения к расчетам радиационных характеристик атомов и ионов. Получена функция Грина уравнения Дирака с нелокальным модельным потенциалом. Предложен и разработан новый метод построения полной системы базисных функций чисто дискретного спектра в задаче на возмущение стационарных состояний атомов, описываемых в приближении Хартри-Фока. Получено наиболее точное теоретическое значение поляризуемости основного состояния атома натрия.
Научная значимость работы заключается в разработке новых методов расчета спектров сложных атомов и ионов, в создании единого подхода к решению задачи обеспечения научно-техничес-, ких исследований и разработок достоверной информацией о спектроскопических радиационных константах атомов и ионов.
В обзоре сформулированы основные положения, принимаемые при теоретическом определении сил осцилляторов линий, вероятностей переходов и радиационных времен жизни уровней. Кратко рассмотрены основные чисто теоретические и полуэмпирические метода расчета радиационных атомных констант: самосогласованного поля Хартри-Фока в одно- и многоконфигурационном приближениях, Хартри-Фока-Дирака, разложения по обратным степеням заряда ядра, случайных фаз, промежуточной связи, кулоновского приближения, квантового дефекта и другие полуэмпирические метода. Указаны наиболее существенные достижения, полученные при теоретическом определении сил осцилляторов линий, вероятностей переходов и радиационных времен жизни уровней атомов и ионов.
Методами Хартри-Фока и кулоновского приближения (в различных вариантах) получена основная, имеющаяся к настоящему времени, информация о силах осцилляторов линий, вероятностях переходов и радиационных временах жизни уровней атомов и ионов. Поэтому в первой главе эти метода рассмотрены более подробно и приведены примеры применения этих методов к расчетам сил осцилляторов линий в спектрах ряда атомов І, Ш, ІУ и УШ групп периодической системы элементов. Дан сравнительный анализ результатов, даваемых различными методами, и показано, что, когда наложение конфигураций мало, то значения радиационных характеристик переходов, полученных как в кулоновском приближении, так и методом одноконфигурационного приближения Хартри-Фока, близки между собой и близки с величинами, рассчитанными в многоконфигурационном приближении.
Вторая глава диссертации посвящена методу эффективного орбитального квантового числа в нерелятивистском и релятивистском приближениях, получению функции Грина уравнения- Дирака с нелокальным модельным потенциалом. Сначала рассматривается нерелятивистский вариант метода. Основная идея метода эффективного орбитального квантового числа состоит в использовании ку-лоновского приближения для потенциала остова. Известно, что главное квантовое число П можно представить в виде суммы радиального /\ и орбитального t квантовых чисел электрона. В противоположность методу Бейтс и Дамгард, также основанному на кулоновском приближении, квантовый дефект можно перенести с Пъ на Ь . Полагая орбитальное квантовое число эффективным = t + kw и вводя эффективный орбитальный параметр Ci-Zt +4 , можно получить радиальное уравнение Шредингера для атомной частицы с кулоновским потенциалом остова 2? /fc (2? - эффективный заряд атомного остова) и орбитальным параметром 0L , определяемым по экспериментальным значениям энергии уровней %-ї yZ/l tl р 1 ( /» - одноэлектронная энергия данного состояния, р = 0,1,2, ... - радиальное квантовое число). /Решением радиального уравнения Шредингера с кулоновским потенциалом остова и орбитальным параметром CL являются водородо-подобные кулоновские радиальные функции Рп. і 1) » зависящие только от одного параметра О. . В отличие от метода Бейтса и Дамгард здесь мы получаем аналитические функции Png (t) во всей области изменения %, .
Орбитальный параметр О, для данного и зависит от энергии уровня и немного увеличивается по величине или уменьшается с изменением 0 . Исследования показали, что в отсутствие конфигурационного возмущения серии уровней fit орбитальный параметр либо линейно уменьшается (когда остов не содержит электроны с тем же t ), либо линейно увеличивается (когда остов содержит электроны с тем же t ) с энергией возбуждения оптического электрона я . Другие случаи изменения орбитального параметра 0, с энергией электрона свидетельствуют о наличии конфигурационного возмущения серии уровней ПІ . Изучение зависимости изменения орбитального параметра (L с изменением энергии оптического электрона О, = Y(_i) позволяет определить, в каких случаях можно пользоваться при расчетах радиационных атомных характеристик эффективным одноконфигура-ционным кулоновским приближением, а когда таким приближением пользоваться нельзя, поскольку оно даст плохой результат расчета радиационных атомных констант. Зависимости й- т( ) оказались также весьма эффективными и при изучении закономерностей изменения радиационных времен жизни уровней серии ПС .
В этой же главе дано релятивистское обобщение метода эффективного орбитального квантового числа. Получены асимптотически точные релятивистские радиальные, волновые функции, зависящие от одного параметра /( , определяемого через экспериментальное значение энергии состояния атомной частицы. В качестве примера применения релятивистского метода эффективного орбитального квантового числа к определению радиационных атомных констант рассмотрен расчет сил осцилляторов линий перехода Ъ,Ч Ps/ i71/z " 3Hds/ 3/ в изоэлектРонном PW натрия А/а J - Mo)QOUi .
При изучении взаимодействия многозарядных ионов с внешними полями требуется учитывать релятивистские эффекты и в связи с этим возникает необходимость в построении соответствующей функции Грина. В работе (последний раздел второй главы) была получена функция Грина уравнения Дирака с нелокальным модельным потенциалом.
Третья глава диссертации посвящена методу промежуточной связи. В первом разделе даны основные определения и положения метода. Физически тот или иной тип связи угловых моментов обусловлен характером взаимодействия между электронами в атоме. Чистый тип связи угловых моментов (Z р- , /г -связь и т.п.) в атоме выполняется редко. Практически в реальных конфигурациях сложных атомов осуществляется связь, промежуточная между разными типами связи. Поэтому основным методом расчета радиационных характеристик переходов (сил линий), учитывающим реальные угловые взаимодействия электронов в сложном атоме, должен быть метод промежуточной связи. Наиболее ответственным этапом метода промежуточной связи является построение матриц энергии конфигураций перехода в численном виде. Чем полнее в этих матрицах будут учтены взаимодействия электронов (электростатические и магнитные) в атоме, тем точнее будут получены расчетные радиационные характеристики переходов. В настоящее время для сложных атомов и их первых ионов пока еще не представляется возможным чисто теоретически учесть с хорошей, точностью все основные взаимодействия электронов, поэтому в случае атомов с многотермными конфигурациями полуэмпирический путь определения матриц энергии в численном виде является более предпочтительным.
Расчет сил линий при промежуточной связи предъявляет вы - 16 сокие требования к точности волновых функций. О точности волновых функций промежуточной связи можно судить по сопоставлению расчетных и экспериментальных значений множителей Ланде (множителей у ) зеемановского расщепления. В работе показано, что между отклонением экспериментальных величин множителей О от расчетных при промежуточной связи с одной стороны, и между отклонением экспериментальных относительных сил линий от теоретических (при промежуточной связи) с другой стороны, имеется определенная корреляция. Было показано, что если &% Qna6 i- Опор для любого уровня (кроме уровня с наименьшим J ) не превышает 0,010, то расчетные относительные силы линий перехода будут хорошо соответствовать эксперименту. В работе также показано, что сопоставление Она6л и арасч (при LS -связи) для уровней сложных многотермных конфигураций атомов и ионов позволяет определить, имеет ли место в данном случае наложение конфигураций или нет. Основной вывод по этому разделу: вычисление относительных сил линий при промежуточной связи следует всегда проводить с одновременным расчетом множителей а уровней и если О рам будут хорошо соответствовать QHCLSJ » то и расчетные относительные силы линий будут близки к экспериментальным.
Во втором разделе третьей главы приведены результаты расчетов относительных сил осцилляторов линий в спектрах ряда первых ионов группы железа. Расчетные величины сил осцилляторов линий были получены впервые, в отсутствие экспериментальных данных по силам осцилляторов для этих ионов. Достоверность расчетных значений сил осцилляторов основывалась на хорошем согласии вычисленных Орасч (при промежуточной связи) И OwStf Последующие экспериментальные проверки (для ионов Рій и wiII ) подтвердили результаты расчетов, показали очень хорошее согласие между вычисленными и экспериментальными значениями сил осцилляторов .
Шестая глава посвящена изучению штарковских смещений fttf уровней атомов аргона, криптона, ксенона и разработке нового метода расчета поляризуемостей атомов и ионов. В первом разделе (6.Г) приведены результаты вычислений штарковских сдвигов уровней 0$ атомов аргона, криптона и ксенона. Расчеты выполнены на основании теории возмущений второго порядка; для атома аргона при определении штарковских сдвигов впервые был применен метод промежуточной связи. Расчетные значения смещений уровней хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Показано, что высоковозбужденные уровни ft lyZj0 атомов криптона и ксенона не испытывают влияния электрического поля, смещение этих уровней практически равно нулю.
Во втором разделе (6.2) предложен и разработан новый метод построения полной системы базисных функций в задаче на возмущение стационарных состояний, описываемых в приближении Хар-три-Фока. На примере атома натрия впервые были получены штурмов ские разложения самосогласованного поля Хартри-Фока. Эффективность метода продемонстрирована расчетом поляризуемости основного состояния атома натрия. Получено наиболее точное теоретическое значение поляризуемости основного состояния атома натрия.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
