Введение к работе
Результаты исследований, представленных в диссертационной работе, имеют фундаментальное значение и направлены на расчет сечений резонансной перезарядки для атомов и ионов с незаполненными электронными оболочками. Эти процессы могут определять характер переноса ионов в низкотемпературной плазме и поэтому, наряду с сечениями резонансной перезарядки, вычислены подвижности атомных ионов в собственных атомных газах. Используемый для этих расчетов асимптотический метод подходит также и в случае столкновения атомов и ионов в нижних электронно-возбужденных состояниях. Поскольку эти возбужденные состояния эффективно образуются в низкотемпературной плазме, рассматриваемые процессы представляют интерес. Полученные результаты применены к воздушной плазме атмосферы на высотах, превышающих 100 км, где молекулы азота и кислорода диссоциированы. Поэтому перенос атомарных ионов азота и кислорода определяется столкновениями атомных ионов и атомов. Поскольку сечение резонансной перезарядки значительно превышает сечение упругого столкновения иона и атома, то перенос ионов в основном определяется резонансной перезарядкой. Учитывая то, что переходы между электронными состояниями иона при столкновениях происходят неэффективно, а сечения резонансной перезарядки различаются для основного и возбужденного состояний, в стандартной импульсной схеме измерения дрейфовой скорости ионов можно разделить сигналы для ионов в разных электронных состояниях, а также по амплитуде и ширине сигнала для каждого иона определить концентрацию иона в разных возбужденных состояниях. Это составляет основу предложенного нами экспресс-анализа для определения состава воздушной плазмы в заданной точке и данный момент времени. Мониторинг этих данных во времени и пространстве дает информацию о протекающих в атмосфере процессах. В частности, это важно для анализа полярных сияний, свечение которых в большей степени связано с излучательными переходами из электронно-возбужденных состояний атомов кислорода и азота. Таким образом, полученные результаты имеют также прикладное значение. Разработанная теория является развитием асимптотической теории резонансной перезарядки для случая атомов и ионов с незаполненными электронными оболочками. В этом случае, первой стадией вычисления сечения резонансной перезарядки является определение электронных термов квазимолекулы, составленной из иона и атома одинакового сорта, при больших расстояниях между ними. В рассматриваемом случае, когда атом и ион характеризуются определенным набором моментов, необходимо сформулировать схему
сложения моментов, которая зависит от иерархии взаимодействия в кваземолекуле. В стандартной схеме построения - схеме Гунда [1, 2, 3] рассматриваются различные способы сложения моментов в зависимости от соотношения трех типов взаимодействия: электростатического, сьин-орбитального и кориолисова (взаимодействие движения с орбитой). В данном случае взаимодействия на далеких расстояниях, мы имеем возможность отойти от стандартной модельной схемы Гунда и последовательно определить и сравнить все имеющиеся типы взаимодействия при больших расстояниях между ионом и атомом, по сравнению с их размерами, что позволяет разделить разные виды взаимодействия [4, 5, I, 6]. Анализ показывает, что в силу большего числа взаимодействий, чем в схеме Гунда, ни один из случаев схемы Гунда не подходит для описания квазимолекулы, составленной из иона и собственного атома при больших расстояниях между ними. Соответственно, и квантовые числа, относящиеся к такому молекулярному иону, не соответствуют ни одному случаю схемы Гунда. Процессы резонансной перезарядки с участием атомов и ионов в основном и метастабильном состояниях представляют интерес для азотной и кислородной плазмы. В частности, эти процессы определяют транспортные характеристики низкотемпературной плазмы. Сечение резонансной перезарядки определяется потенциалом обменного взаимодействия иона с атомом. Данное сечение для ионов и атомов азота и кислорода, когда они находятся в различных электронных состояниях, было оценено в рамках различных моделей. Поскольку эти модели не учитывают реального электронного перехода, точность этих вычислений проблематична. В данной работе вычислены сечения резонансной перезарядки с участием ионов и атомов азота и кислорода в основном и первых возбужденных состояниях в рамках асимптотической теории. Так как основа асимптотической теории -предположение, что электронный переход происходит на больших расстояниях между ядрами, по сравнению с атомными размерами, эта теория дает сечение как распределение по малому параметру, который позволяет нам оценить его точность. Основываясь на этом, мы вычисляем подвижности атомных ионов азота и кислорода. Асимптотическая теория использует малый параметр, в соответствии с этим, электронные переходы имеют туннельный характер и происходят при больших параметрах столкновения, по сравнению с атомарными размерами. Поэтому, для определения сечения, необходимо сначала построить электронные термы иона и атома. Ввиду наличия большого числа взаимодействий, можно построить иерархию взаимодействий на основе метода Гунда. Однако, как показывает опыт, квазимолекулы кислорода и азота имеют большее число взаимодействий, чем используется у Гунда. В представленной работе мы построили электронные термы квазимолекул азота и
кислорода для различных электронных состояний и определили сечения резонансной перезарядки, а также оценили транспортные характеристики плазмы.
Актуальность темы исследований
Одной из важнейших транспортных характеристик является подвижность ионов в собственном газе. В большинстве практически интересных случаях, подвижность ионов, главным образом, определяется резонансной перезарядкой атомарных ионов на их атомах. При этом возбужденные атомы и ионы вносят заметный вклад в транспортные коэффициенты плазмы. В свою очередь транспортные параметры плазмы, например, определяют характер прохождения электромагнитных волн через атмосферу Земли. Следовательно, определение транспортных свойств неравновесной кислородной плазмы и основных ее элементов - сечений резонансной перезарядки с участием атомов и атомарных ионов, представляет практический интерес.
Цель работы
Цель настоящей работы заключалась в предоставлении модели для расчета сечения резонансной перезарядки и, как следствие, определения транспортных характеристик плазмы. В работе выясняется влияние погрешностей оболочной модели атома и иона на точность сечения резонансной перезарядки, что связано с точностью асимптотического коэффициента валентного электрона в атоме, а также связь сечения резонансной перезарядки с характером сложения моментов при соударении иона с атомом.
Основные положения, выносимые на зашиту
Расчет сечения резонансной перезарядки с участием высоковозбужденных атомов. Развит метод расчета сечений резонансной перезарядки атомов и ионов с незаполненными электронными оболочками. Построены термы.
На основе развитой методологии предложен метод анализа плазмы верхней атмосферы Земли.
Научная новизна работы
Научная новизна, прежде всего, определяется тем, что на основе оригинальных схем, разработанный диссертантом совместно с научным руководителем Б.М. Смирновым были проведены расчеты сечений резонансной перезарядки
элементов с незаполненными электронными оболочками. Кроме того предложен оригинальный метод экспресс анализа плазмы верхней атмосферы Земли.
Научная и практическая ценность работы
Найденные сечения резонансной перезарядки могут быть использованы при определении транспортных свойств низкотемпературной плазмы.
Предложенный метод экспресс анализа плазмы верхней атмосферы Земли может быть реализован практически.
Личный вклад автора
