Введение к работе
Диссертация посоящена теоретическому изучению и разработке аналитических и численных методов, позволяющих исследовать эффекты послестолк-новителького взаимодействия (ПСВ) в атомных процессах. Чтобы пояснить вто,на первый взгляд,необычное, чо общепринятое в литературе наименование, рассмотрим один из простейших процессов, в котором можно наблюдать аффекты ПСВ. Пусть происходит фотоионизация внутренней атомной оболочки, приводящая к образованию фотоэлектрона с> и атома с вакансией во внутрен ней оболочке А*". Оже-распад этой вакансии А+* —> А2+ + е? приводит к образованию трех заряженных частиц в конечном состоянии процесса:
о hv + А — е, + Л+* — е, + ег + А2\ (1)
Кулоновское взаимодействие частиц ь промежуточном и конечном состояниях процесса (1) и получило в литературе название "послестолкновительного". Реакция (1) протекает в две стадии: фотоионизация внутренней обо лочы! и оже-распад образовавшейся вакансии. Можно привести и другие примеры реакций, протекающих в две стадии. Это возбуждение автоионизационных состояний (АИС) атомов ионным либо электронным ударом с последующим автоиониза-'ционным распадом.
Общая схема таких процессов имеет вид:
X+Y—>A + D—+ А + В + С, (2)
где в результате столкновения двух произвольных атомных частиц А' и К обра
зуются две другие атомные частицы А и D. При атом частица D находится
в возбужденном квазистационарнои состоянии и распадается с образованием
частиц В и С. Кулоновское взаимодействие частиц Л, В, С в конечном
состоянии процесса (2) и обусловливает круг явлений, относящихся к после-
столкновительному взаимодействию. Иначе говорл, ПСВ-это взаимодействие
нескольких заряженных частиц в конечном состоянии в том случае, когда реакция протекает в две стадии, через промежуточный резонанс. В дальнейшем мы будем называть такие процессы резонансными.
Предположим на время, что кулоновское взаимодействие частиц не играет заметной роли. Это может быть, например, когда скорость частицы А велика, и она быстро покидает зону реакции, не успевая провзаимодействовать с другими частицами. В этом случае реакция (2) действительно протекает в две независимые стадии: неупругое, столкновение X + У —» А + /) и рагппд
D —» В + C. Тогда в энергетическом спектре частиц В, С при фиксированной энергии столкновений имеется лоренцовская лі!н:тя, обусловленная квазиста-ционарнос.тью материнской частицы D. Ширина линии есть полная ширина квазистационарного состояния.
Однако, если относительные скорости разлета частиц А, В, С в реакции (2) невелики, меньше или порядка боровской скорости, то их кулоновское взаимодействие суіцественно. Оно сильно сказывается на сечении процесса, изменяет энергетическое и угловое распределение частиц. Линия в спектре частиц В, С искажается. Прежде всего она сдвигается. Это значит, что пара В, С обменивается анергией с третьей частицей А. Кроме того, линия меняет свою форму: она уширяется и становится асимметричной. В атом случае реакцию (2) нельзя рассматривать протекающей в две независимые стадии. Это единый процесс, в котором необходимо учитывать ПСВ. Изучение влияния ПСВ на характеристики резонансных процессов (2), а также более сложных реакций,и проводится в представленной работе.
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Изучение спектров автоионизационных электронов и Оже-алектронов играет важную роль в физике электронных и атомных столкновений, оптике, физике атмосферы, химической физике. Изучение таких спектров, главным образом, в прикладных целях проводится также в оже-спектроскопии и диагностике поверхности. Влияние ПСВ на форму линий в электронных спектрах интенсивно исследуется в течение последних десятилетий (см., например, обзоры [1,2]). Интерес исследователей к проблеме объясняется несколькими причинами. Во-первых, ПСВ существенно искажает энергетические и угловые распределения продуктов реакции. Поэтому профили электронных линий в спектрах смещаются и деформируются. Анализ спектров, не учитывающий ПСВ, может приводить к неверной информации об энергиях и ширинах квазистационарных атомных состояний. Многие линии в автоионизационных- (АИ) и оже-спектрах используются исследователями как калибровочные или релерные. Поэтому прегиэионное определение энергий и ширин таких уровней является весьма желательной и актуальной задачей.
Далее, исследование эффектов ПСВ позволяет судить о динамике возбуждения !' распада квазистациснаркых атомных состояний и способствует лучшему пониманию структуры атомов и процессов взаимодействия атомов с электронами, фотонами и ионами.
В-третьих, разработка численных и аналитических, методов учета ПСВ позволяет рассчитывать счения резонансных процессов. Отмстим, что знание сечений элементарных процессов необходимо для анализа спектров при исследовании атмосферы и межзвездного пространства, при исследовании поверхно-
стей с помощью методов оже-спектроскопии. Такие сечения используются как константы в физике и оптике атмосферы, химической физике, астрономии.
Наконец, исследования эффектов ПСВ интересны с теоретической точки зрения. Исследуемая проблема представляет собой частный случай задачи о взаимодействии нескольких тел. Квантово-механическое решение этой задачи остается весьма актуальным до настоящего времени. Разработка различных приближений и подходов, позволяющих решить проблему в той или иной кинематической области, интересна с двух точек зрения. Во-первых, представляет интерес само по себе развитие квантово- механических подходов для описания проблемы многих тел. Во-вторых, интенсивное развитие численных методов, появление мощных и быстродействующих компьютеров и кх доступность для пользователей позволяют применять разрабатываемые аналитические методы для конкретных реакций, проводить сложные квантово-мехалическиё расчеты численно и получать в результате сечения тех или иных конкретных процессов.
К началу выполнения диссертационной работы ПСВ рассматривалось как околопороговый эффект. При этом для его описания применялись классические и квазиклассические методы. Поэтому представлялось весьма актуальным, в первую очередь, развить численные методы, основанные на квантово-механическом подходе, которые бы позволили учитывать влияние ПСВ при расчете не только относительной, но и абсолютной величины сечений резонансных процессов. Расчеты абсолютной величины сечений конкретных процессов, включающие ПСВ наряду с другими многоэлектронными корреляциями, позволяют провести сравнение с экспериментальными данными и выделить вклад тех или иных многоэлектронных процессов.
Последующее развитие теории ПСВ привело к осознанию того, что ПСВ является существенно многочастичным эффектом и проявляется не только в околопороговой области, но и в более широких кинематичесіих областях. Решение проблемы учета ПСВ было получено в замкнутом аналитическом виде для процессов с тремя заряженными частицами в конечном состоянии. Достигнутый прогресс стимулирует попытки расширить существующие теоретические подходы для описания более сложных реакций и выявить проявления ПСВ в автоионизационных яектрах таких реакций.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ і >ляется, во-первых, разработка численных и аналитических методов для списания эффектов ПСВ в различных кинематических областях. Во-вторых, задачей работы являлось развитие существующих подходов в теории ПСВ и их применение для описания более сложных реакций - процессор с четырьмя заряженными частицами в конечном состоянии. В работе изучаются два различных вида таких процессов: каскадные оже-процессы и процессы
ионизации внутренних атомных оболочек электронным ударом. В-третьих, существующие и развитые в работе методы были применены для расчета сечений конкретных реакций, что позволило провести анализ существующих экспериментальных данных и предсказать новые эффекты в спектрах, которые могут быть обнаружены на эксперименте по мере совершенствования методики эксперимента.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том, что в ней в рамках единого квантово-механического подхода разБИТЫ численные и аналитические методы описания эффектов ПСВ, проявляющихся в разных кинематических областях и в различных резонансных процессах. Все перечисленные ниже результаты впервые получены в настоящей диссертации.
В околопороговой области резонансных процессов развиты численные методы, позволяющие вычислять абсолютные величины сечений фотоионизации и неупругого рассеяния электронов с учетом эффектов послестолк-новительного взаимодействия.
Получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитывать искажение, оказываемое ПСВ, на угловые распределения продуктов резонансных процессов.
Методы учета ПСВ, развитые ранее в рамках эйконального подхода и вне его для описания трехчастичных эффектов, применены для описания процессов ионизации внутренних оболочек атома электронным ударом. Полученные соотношения позволили описать эффекты ПСВ в различных совпаденческих и несевпаденческих экспериментах в реакциях с четырьмя заряженными частицами в конечном состоянии.
Изучено влияние ПСВ в каскадных оже-процессах. В рамках эйконального подхода получены соотношения, позволяющие выявить многочастичные эффекты в спектрах фото- и оже-электронов.
Получены амплитуда и сечения образования связанного состояния пары: АИ электрон - рассеянная положительная частица в процессах возбуждения А И состояний атомов позитронным, либо ионным ударом.
Для исследования эффектов, рассматриваемых в работе, были развиты но- . вые численные методы на базе существующих моделей ПСВ (околопороговая область реакций), либо существующие подходы были применены к исследованию новых типов реакций (і:онизаціт внутренних атомных оболочек электронным ударом, каскадные оже-процосгы). "лъюо были развиты новые подходы
для описания эффектов ПСВ (искажение углового распределения ЛИ или оже-электронов, образование связанных состояний быстрой рассеянной частицы и АИ електрона).
НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Проведенное в диссертации исследование позволило в рамках единого квантово- механического подхода описать целый ряд аффектов ПСВ в спектрах резонансных процессов. Численные и аналитические методы, развитые в диссертации, позволили рассчитать сечения конкретных резонансных процессов и дать количественное описание аффектов, наблюдаемых на эксперименте. Исследование, проведенное в диссертации, способствовало созданию основ теории послестолкно-вительного взаимодействия - частного случая квантово-механической задачи нескольких тел, приложенной к резонансным процессам. Разработанные в диссертации модели У методы расчетов, а также расчеты конкретных эффектов представляют интерес в прикладной части физики атомных столкновений, диагностике плазмы, спектроскопии, оже-спектроскопии и диагностике поверхности. Проведенные в диссертации исследования могут быть отнесены к теоретическим основам этих прикладных дисциплин.
1. Вывод соотношений, определяющих влияние ПСВ на угловое распределе
ние АИ или о^же-алектронов. Обнаружение существенного искажения углового
распределения АИ электронов, регистрируемых в совпаденческих эксперимен
тах, в области малых относительных углов разлета АИ и рассеянного электро
нов.
-
Применение методов ейконального приближения для описания влияния ПСВ на энергетические и угловые распределения электронов в процессах с четырьмя заряженными частицами в конечном состоянии, т.е. в реакциях ионизации внутренних оболочек атомов электронным либо ионным ударом. Учет ПСВ в рамках эйконального подхода и вне его в совпаденческих и несовпаден-ческих экспериментах. Вычисление сдвига линий оже-алектронов, вызванного ПСВ, в процессах ионизации внутренних оболочек атомов благородных газов быстрыми электронами. Приложение развитых методов к изучению эффектов ПСВ в спектрах La — МізМА оже-электронов атомов аргона.
-
Развитие методов эйконального приближения для описания эффектов ПСВ в каскадных оже-процессах. Обнаружение осцилляционной структуры на профилях линий фотоэлектронов в определенных кинематических областях.
-
Исследование эффектов ПСВ в процессах образования связанного состояния пары: АИ электрон - положительная заряженная частица в случае возбуждения АИ состояния атомов позитронами либо положительными ионп-
ми. Получение аналитических выражений для амплитуды и сечений процесса. Анализ и расчет сечений для конкретных реакций е+ + Не и р + Ar .
5. Развитие численных методов, основанных на квантово-механическом подходе и позволяющих рассчитывать абсолютную величину сечений резонансных процессов с учетом ПСВ в околопороговой области анергий. Расчет профилей линий в спектрах медленных рассеянных, либо АИ электронов, их сдвига и уширения в процессах фотоионизации внутренних тэболочек атомов благородных газов и возбуждения АИ состояний электронным ударом.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах.
6,12,14 Международные конференции по атомной физике (ЮАР) (Riga, USSR, 1978, Ann Arbor, Michigan, USA, 1990, Boulder, Colorado, USA, 1994); 15,16 Международные конференции по рентгеновскому излучению и процессам во внутренних оболочках (X-Ray) (Knoxville, Tennessee, USA, 1990, Debrecen, Hungary, 1993); 17,18 Международные конференции по физике электронных и атомных столкновений (ICPEAC) (Brisbane, Australia, 1991, Aarhus, Denmark, 1993); 7,10 Всесоюзные конференции по физике электронных и атомных столкновений (ВК-ЭАС) (Петрозаводск, 1978, Ужгород, 1988); 9,10 Всесоюзные конференции по теории атомов и атомных спектров (Ужгород, 1985, Томск, 1989); 3,4 Научные семинары "Автоионизационные явления в атомах" (Москва, 1985, 1990); 22 Европейская конференция ло атомной спектроскопии (EGAS) (Uppsala, Sweden, 1990); Всесоюзный семинар по атомной спектроскопии (Ростов-Великий, 1990); Международное совещание "Сегодня и завтра в фотоионизации" (Ленинград, 1990).
Результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах отделов и групп кафедры квантовой механики Ленинградского государственного университета, кафедры физики С. - Петербургского государственного технического университета, НИИЯФ Московского государственного университета (Москва), Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН (Скг.-Петербург), кафедры физики Государственного аграрного университета (Скт.-Петербург), University of Freiburg (Freiburg, Germany), University of Kaiserslautern (Kaiserslautern, Germany), University of Notre Dame (Notre Dame, Indiana, USA), Argoimc National Laboratory (Argonne, Illinois, USA), University of Nebraska (Lincoln, Nebraska, USA), University of Pittsburgh (Pittsburgh, Pennsylvania, USA).
ПУБЛИКАЦИИ По теме диссертац-ш опубликованы 32 научных работы. Список ключсвьи работ приведен в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из введения, пяти гл.чв, заьлючения и списка литературы, насчитывающего 155 на-
именований. Общий объем диссертации 233 страницы, в том числе 33 рисунка и 1 таблица..
