Введение к работе
Актуальность работы
В течение последних трех десятилетий столкновения между однократно и многократно заряженными ионами Xz+ [Z ~ 1 - 10) и атомами, происходящие при энергиях ~ 0.5 - 10 МэВ/нуклон, когда скорость относительного движения уже значительно превышает характерные орбитальные скорости внешних атомных электронов, были предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований в атомной физике. Изучение различных элементарных физических процессов, происходящих при таких столкновениях, представляют большой интерес не только для фундаментальной атомной физики, но и имеет разнообразные приложения в других областях, таких как оптика, физика плазмы, астрофизика и радиационная физика.
Гораздо более высокие энергии (~ 0.1 - 200 ГэВ/нуклон) и зарядовые состояния ионов (Z ~ 30 - 90) стали доступны для экспериментальных исследований по ион-атомным столкновениям с приходом ускорителей тяжелых релятивистских ионов. Это, наряду с интересной физикой и многообразием происходящих в таких столкновениях элементарных процессов, вызвало большое внимание со стороны теоретиков, работающих в области атомной физики.
В столкновениях между голым ионом (ядром) и атомом возможны три базовых элементарных процесса, (і) Атом может быть возбужден или ионизован. (іі) Один или более атомных электронов могут быть подхвачены полем налетающего ядра, сформировав связанное или низколежащее континумное состояние получившегося нового иона. Этот процесс может происходить с испусканием или без испускания фотона и носит название соответственно радиационного или нерадиационного захвата. В элементарном процессе столкновения может произойти также и комбинация (і) и (іі). Кроме того, в релятивистских столкновениях становится возможным (ііі) рождение электрон-позитронных пар с сечениями, которые при ультрарелятивистских энергиях достигают весьма существенных значений.
Высокозарядные атомные частицы, производимые на ускорителях тяжелых релятивистских ионов, зачастую являются не голыми ядрами, а несут один или более сильно связанных электронов. В столкновениях между такими частично ободранными ионами и атомами эти электроны могут переходить в возбужденные связанные состояния иона или вообще его покидать (процесс потери электрона ионом, также называемый обдиркой иона). Для наблюдателя, находящегося в системе покоя иона, эти процессы будут выглядеть как возбуждение или 'ионизация' покоящегося иона ударом налетающего нейтрального атома. В дополнение к ядру нейтральный атом содержит электроны, один лишь факт присутствия которых во время столкновения может различным образом влиять на движение электронов иона. Более того, поскольку ион, будучи заряженной системой, может воздействовать на поведение электронов атома, искажая их движение еще во время его подлета, то влияние электронов атома на электроны иона зависит, вообще говоря, и от параметров иона. В результате физика
возбуждения и 'ионизация' иона ударом нейтрального атома в общем случае сильно отличается от имеющей место в столкновениях, в который нейтральный атом возбуждается или ионизуется за счет взаимодействия с пролетающим голым ядром. Таким образом, в столкновениях между частично ободранными ионами и нейтральными атомами становятся возможными качественно новые элементарные процессы - возбуждение и обдирка иона.
В последнее время по физике быстрых ион-атомных столкновений был опубликован ряд монографий:
N. Stolterfoht, R.D. DuBois and R.D.Rivarola, Electron Emission in Heavy Ion-Atom Collisions (Springer 1997),
J.H. McGuire Electron Correlation Dynamics in Atomic Collisions (Cambridge University Press, 1997),
J.Eichler and W.Meyerhof, Relativistic Atomic Collisions (Academic Press, San Diego, 1995),
D.S.F. Crothers, Relativistic Heavy-Particle Collision Theory (Kluwer Academic/ Plenum Publishers, London, 2000),
J.Eichler, Lectures on Ion-Atom Collisions (Elsevier, Amsterdam, 2005).
Две из них (Eichler and Meyerhof (1995) и Crothers (2000)) практически полностью посвящены области релятивистских атомных столкновений. Кроме того, некоторые аспекты таких столкновений рассматривались также в более ранней монографии: В.Н. Bransden and M.R.C. McDowell, Charge Exchange and the Theory of Ion-Atom Collisions (Clarendon Press, Oxford, 1992).
В отличие от вышеупомянутых книг, где рассматривались процессы ионизации и перезарядки атомов в столкновениях с голыми ядрами, настоящая диссертация, следуя недавней монографии A. Voitkiv and J. Ullrich, Relativistic Collisions of Structured Atomic Particles (Springer-Verlag, Berlin, 2008), фокусируется на теории процессов возбуждения и обдирки ионов в столкновениях с нейтральными атомами. В таких столкновениях участвуют ядра и электроны обеих атомных частиц. Основное внимание уделяется описанию столкновений при релятивистских энергиях, в которых участвуют высокозарядные ионы.
В случае ион-атомных столкновений при нерелятивистских энергиях (с участием лишь легких ионов), возбуждение и обдирка ионов рассмаривались в упоминавшихся выше монографиях Stolterfoht et all (1997) и McGuire (1997). Однако теоретическое описание этих процессов в них было, как правило, ограничено использованием простейшей модели - первого порядка теории возмущений по ион-атомному взаимодействию. Поэтому настоящая диссертация содержит также развитые автором теоретические методы, предназначенных для описания нерелятивистских столкновений между атомными частицами, приводящими к изменению их внутреннего состояния, в условиях, когда первый порядок теории возмущений не применим.
Необходимо также сразу уточнить ел едущее. В ион-атомных столкновениях могут, разумеется, происходить и ядерные реакции. Однако в сравнении с атомными процессами эти реакции обычно характеризуются гораздо меньшими
сечениями, практически не влияют на атомные процессы и в данной диссертации, где ядра сталкивающихся атомных частиц считаются просто точечными зарядами, не рассматриваются.
Цели данной работы
Настоящая диссертационная работа посвящена теоретическому изучению процессов возбуждения и обдирки ионов, происходящих при столкновениях с атомами при больших энергиях. Для описания столкновения атомных частиц, приводящих к изменению их внутренней структуры, в работе предложены теоретические методы, которые "покрывают"очень широкую область энергий столкновения, простирающуюся от ~ 1 МэВ/нуклон до (в принципе неограниченно высоких) ультрарелятивистких значений.
Главной целью работы являлось создание теоретических методов, которые позволяют описывать столкновения ионов с атомами, приводящие к изменению их внутренней (электронной) структуры, для релятивистской области параметров задачи. Эта область характеризуется как релятивистскими энергиями столкновения, так и в общем случае близкими к скорости света скоростями электронов во внутренних состояниях сталкивающихся частиц.
Кроме того, в работе представлен также ряд подходов, разработанных для описания быстрых нерелятивистских ион-атомных столкновений в области параметров задачи, где первый порядок теории возмущений не работает.
Основной упор в диссертации делается на описании электронных переходов в ионе, т.е. на возбуждении и обдирке иона, в то время как детальное описание переходов, совершаемых в столкновении электронами атома, проводится лишь для случая таких наиболее легких и простых атомов, как водород и гелий.
В рамках приложения разработанных методов в диссертации также представлен большой набор конкретных численных результатов для вероятностей и сечений возбуждения и обдирки и проведено сравнение со значительным объемом экспериментальных данных, накопленных в этой области исследования за последние годы.
Научная новизна работы
В данной работе впервые:
1. Развит подход для детального описания быстрых нерелятивистских
столкновений между многозарядным ионом и легким атомом, основанный на
методе искаженных волн.
2. Предложены методы для описания возбуждения и обдирки иона в быст-
рых нерелятивистских столкновениях с атомами, основанные на использовании приближения внезапных возмущений и приближения Глаубера.
Установлена простая связь между приближением внезапных возмущений и методом сильной связи каналов.
3. В рамках первого порядка теории возмущений построена детальная ре
лятивистская теория, описывающая различные аспекты возбуждения и обдир
ки ионов в релятивистских столкновениях с атомами. Проанализированы ее
различные предельные случаи и возможные упрощения.
Развита версия вышеупомянутой теории в представлении параметра удара. Показано, что результаты для сечений, получаемые в этих теориях, совпадают. В рамках этой версии предложен также упрошенный подход к описанию возбуждения и потери электронов ионами в релятивистских ион-атомных столкновениях.
Теория одновременных электронных переходов в сталкивающихся ионе и атоме, вызываемых т.н. двуцентровым диэлектронным взаимодействием, обобщена на область релятивистских энергий столкновения.
-
Развит метод, позволяющий детальное описания релятивистских столкновений между высокозарядным ионом и легким атомом, который основан на учете искажающего влияния сильного поля иона на исходное и конечное состояния атома в рамках модели симметричного эйконала.
-
Предложен подход к расчету сечений возбуждения и обдирки ионов в столкновениях с тяжелыми атомами при энергиях ~ 1 ГэВ/нуклон, основывающийся на трактовке поля атома как внешнего и использовании модели симметричного эйконала для приближенного учета искажения исходного и конечного состояний иона полем атома.
-
Проанализировано поведении классического и квантового электронов в электромагнитном поле, создаваемым частицей, движущейся со скоростью света.
Развит метод описания возбуждения и потери электрона ионом в ультрарелятивистских столкновениях с многоэлектронным атомом, основывающийся на трактовке поля атома как внешнего и рассмотрении задачи о возбуждения и потери электрона ионом под действием этого внешнего поля используя комбинацию метода потенциалов светового конуса и первого порядка теории возмущений, использующихся для описаний столкновений соответственно с малыми и большими прицельными параметрами.
В методе потенциалов светового конуса выведена амплитуда перехода для нерелятивистского электрона, связанного в поле ядра иона (атома) и подвергающегося в столкновении воздействию поля частицы, движущейся со по отношению к ядру со скоростью приближающейся к световой.
7. Для задачи возбуждения и ионизации (потери электрона) в релятивист
ских ион-атомных столкновениях проведено (в рамках первого порядка теории
возмущения) детальное сравнение результатов получаемых при использовании
релятивистсткого, полурелятивистских и нерелятивистсткого описаний элек
трона. Обсуждены результаты, получающиеся при использовании разных ка
либровок электромагнитного поля (в то время как состояния электрона опи
сываются приближенно) и указано на преимущество одних калибровок перед
другими.
Представлены подробный анализ и решение проблемы с нефизическим вкладом в амплитуду перехода электрона от пропорциональной квадрату векторного потенциала части оператора взаимодействия между электроном и электромагнитным полем налетающей частицы, с которой столкнулись ряд авторов, использовавших уравнение Шредингера (Шредингера-Паули) для описания релятивистских столкновений.
-
Показано, как при сравнительно невысоких энергиях столкновения и очень больших энергиях связи электронов в ионе многочастичная задача о возбуждении и обдирке высокозарядного иона в столкновениях с многоэлектронным атомом может быть сведена к задаче трех тел. Для такого случая предложены трехчастичные кулоновские модели для расчета возбуждения и обдирки высокозарядных ионов в столкновениях с тяжелыми атомами, основанные на приближенном учете влияния поля атомного ядра на исходное и конечное состояния электрона иона и использующие полностью релятивистское описание электрона в этих состояниях.
-
Показано, что в ультрарелятивистском пределе результаты моделей для возбуждения и ионизации (потери), построенных методом искаженных волн, переходят не в результаты первого порядка теории возмущений (как это ранее неверно утверждалось в литературе), а в результаты, получаемые при использовании метода потенциалов светового конуса.
10. Выяснены причины значительного расхождения между теоретически
ми и экспериментальными результатами для полного сечения потери электрона
ионами Pb81+(ls) падающими с энергией 160 ГэВ/нуклон на различные твер
дотельные мищени. Объяснены основные причины возникновения неожиданно
узких энергетических распределений ультрарелятивистских электронов, испус
каемых при прохождении сквозь тонкие пленки ионов свинца, имеющих энер
гию 160 ГэВ/нуклон.
Научная и практическая ценность работы
Несмотря на большое количество экспериментальных данных, полученных для сечений возбуждения и потери электрона ионами в релятивистских
столкновениях с атомами, до появления результатов, изложенных в настоящей работе, не были разработаны регулярные теоретические методы исследования таких процессов. Данная работа заложила теоретические основы для исследований в этой области.
Описываемые в ней теоретические методы позволили провести исследование процессов возбуждения и обдирки ионов, объяснить ряд новых физических эффектов, характерных для этих процессов.
Проведенные расчеты для сечений возбуждения и потери, позволили дать правильную интерпретацию экспериментальных данных, полученных экспериментальными группами на ускорителях тяжелых ионов в Беркли (Калифорния, США), Дармштадте (Германия) и ЦЕРНе.
Результаты по сечениям возбуждения и обдирки ионов, полученные в данной работе, используются для постановки будущих экспериментов на ускорителях тяжелых ионов в Дармштадте (Германия) и Ланчжоу (Китай).
Существенной частью работы является создание пакетов компьютерных программ для расчета вероятностей и сечений рассматривваемых процессов. Указанные пакеты программ позволили не только реализовать развитые в работе методы расчета, но и объяснить ряд новых физических эффектов, обнаруженных экспериментально.
Значительная часть научных результатов данной работы использовалась в качестве материала для монографии и обзоров.
Личный вклад автора
Основные результаты получены самим авторов или при его определяющем участии.
Автор выносит на защиту:
1. Теоретические методы для описания возбуждения и обдирки иона в быстрых нерелятивистских столкновениях с атомами, предназначенные для области параметров задачи, где борновское приближение неприменимо, и базирующиеся (і) на приближении искаженных волн, (іі) на приближении внезапных возмущений и (ііі) на приближении Глаубера.
-
Детальную теорию возбуждения и обдирки ионов в релятивистских столкновениях с атомами, построенную в рамках первого порядка теории возмущений по ион-атомному взаимодействию, а также версию этой теории в представлении параметра удара.
-
Детальную теорию возбуждения и обдирки высокозарядных ионов в релятивистских столкновениях с легкими атомами, в которой учитываются ис-
кажения исходного и конечного состояний атома полем иона, что позволяет применять эту теорию в случае, когда Zj/v ~ 1 (Zj - заряд ядра иона, v -скорость столкновения) и, соответственно, борновский ряд теории возмущений является плохо сходящимся.
-
Подход к расчету сечений возбуждения и обдирки ионов в ультрарелятивистских столкновениях с тяжелыми атомами, основанный на трактовке поля атома как внешнего и комбинации метода потенциалов светового конуса и первого порядка теории возмущений, использующихся для описаний столкновений соответственно с малыми и большими прицельными параметрами. Метод расчета сечений возбуждения и обдирки ионов в столкновениях с тяжелыми атомами при энергиях ~ 1 ГэВ/нуклон, основывающийся на трактовке поля атома как внешнего и использовании модели симметричного эйконала для учета искажения исходного и конечного состояний иона полем атома.
-
Трехчастичные кулоновские модели для расчета возбуждения и обдирки высокозарядных ионов в столкновениях с тяжелыми атомами, которые основаны на возможности пренебречь (при определенных условиях) присутствием атомных электронов и учете влияния поля атомного ядра на исходное и конечное состояния электрона иона, и использующие полностью релятивистское описание электрона в этих состояниях.
-
Доказательство того, что в пределе асимптотически высоких энергий столкновения методы расчета сечений, основанные на моделях искаженных волн, приводят к точному результату, который в общем случае не совпадает с результатами первого порядка теории возмущений.
-
Набор оригинальных компьютерных программ, разработанных для реализации упомянутых выше методов в численных расчетах вероятностей и сечений процессов возбуждения и обдирки.
Апробация работы
Основные результаты, составившие базис диссертации, отражены в 33 журнальных статьях, 1 монографии и докладах на следующих конференциях:
Международной Конференции по физике фотонных, электронных и атомных столкновений в Санта-Фе (США, 2001),
Международной Конференции по физике фотонных, электронных и атомных столкновений в Стокгольме (Швеция, 2003),
Международной Конференции по физике фотонных, электронных и атомных столкновений в Росарио (Аргентина, 2005),
Международной Конференции по физике фотонных, электронных и атомных столкновений во Фрайбурге (Германия, 2007),
Международной Конференции по физике ион-атомных столкновений (на борту теплохода Стокгольм-Хельсинки-Стокгольм, 2003),
Международной Конференции по физике ион-атомных столкновений в Дебрецене (Венгрия, 2004),
Международной Конференции по физике ион-атомных столкновений в Рио-де-Жанейро (Бразилия, 2005),
Международной Конференции по физике ион-атомных столкновений в Агиос-Николаус (Крит, Греция, 2007),
Международной Конференции по физике ион-атомных столкновений в Норфолке (США, 2009),
а также ряде других.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 33 журнальных статьях и монографии Relativistic Collisions of Structured Atomic Particles (Springer-Verlag, 2008).
Структура и объем диссертации
