Введение к работе
Актуальность темы. Сведения об элементарных процессах в атомных столкновениях необходимы при решении многих задач ядерной физики и астрофизики, физики и химии плазмы и управляемого гэрао-ядерного синтеза, физики верхней атмосферы, квантовой электроники и др. Появление во многих лабораториях мира современных мощных ионных ускорителей позволило получить уникальный экспериментальный материал, в особенности по высокозарядным ионам и многоэлект-ронным ион-атомным процессам, и одновременно оказало стимулирующее влияние на теорию атомных столкновений. Ряд ее разделов развит до такого состояния, которое позволяет предсказывать результаты текущего эксперимента с большой точностью. К ним, прездэ всего, " относятся исследования одноэлектронных процессов при медленных соударениях атомных частиц (так называемая теория неадиабатических переходов [11, дащая весьма наглядную физическую интерпретацию квантовых переходов при столкновениях). Другие направления . исследований, в особенности реакций с перераспределением частиц при средних и больших энергиях, многоэлектронЕЫХ процессов в ион-ионных и ион-атомных столкновениях, требуют создания адекватных методов анализа и расчета, сравнимых по точности с результатами современного эксперимента с использованием техники совпадений и наиболее эффективно ведущих к конечной цели для различных задач. Разработке таких методов посвящены наши исследования, составившие основу диссертации.
Делью работы является:
I. Разработка аналитических методов исследования трех група про
цессов с перераспределением частиц: 1) одноалектронного захвата,
происходящего как в кулоновских системах (один электорон в поле
двух ядер), так и в столкновениях сло&ных атомов и ионов при всех
скоростях соударения; 2) двухелектронного захвата и захвата с
одновременной ионизацией (возбуждением) в столкновениях ионов вы
соких и средних (несколько кэб и выше) энергий с атомами и моле
кулами; 3) различного рода ожэ-процесов в столкновениях медленных
многозарядных ионов с атомами и с поверхностью металла, а также
оЕэ-эффекта в отрицательном ионе, помещенном в постоянное одно
родное электрическое поле.
II. Выяснение цриниинкальБнх особенностей и основных механизмов
изучаемых процессов, исследование влияния на их характеристики
самых различных физических факторов - кулоновских, корреляцион
ных, барьерных, релятивистских, переноса импульса и т.д.
Научная новизна наиболее ванных результатов, полученных в. диссертации и выносимых на зазгату. состоит в следующем:
1. Предлокены три новые, более точные, негели ранее использовавшиеся, вариантыасимптотических разложений для решений задачи двух кулоновских центров, в которых большими предполагаются несколько параметров. В качестве таковых выступают меацентровое расстояние, один из зарядов и параболические квантовые числа углового уравнения. Для расщепления термов получены асимптотические формулы, которые хорошо согласуются с результатами точного численного расчета.
2) Предложен новый метод построения асимптотики (по большо- / му межьядерному расстоянию) волновой функции атомного электрона
вблизи чужого иона, связанный с использованием квазиклассического приближения, а также функции Грина произвольного центрально-симметричного потенциала.
-
Получены явные асимптотические выражения для.матричных элементов двухэлектронного обмена и обмена с возбуждением, неволящие рассматривать :процессы с участием произвольней атомов и многозарядных ионов, переходы электронов с различными значениями орбитальных моментов, а также-Ееадиабатические переходы в области больших и средних мекьядерных расстояний. На основе полученных асимптотических выражений подробно разобраны возможные механизмы двухэлектронного обмена и обмена с возбуждением, указаны сопутствующие им эффекты, а также проведены расчеты парциальных и полных сечений для конкретных, процессов рассматриваемых типоз. Установлено, что для всех исследованных реакций двойной перезарядки ответственным за одновременный захват двух электронов является коррелированное двухэлектронное обменное взаимодействие.
-
Впервые построена асимптотика электронной части матричного элемента, определящего процесс обмена двумя электронами при медленных столкновениях двухатомной молекулы с двухкратным ионом также двухатомной молекулы. Новым аспектом задачи является то, что рассматривается не центрально-симметричное поле атома, а аксиально-симметричное поле молекулы.
-
Развита асимптотическая теория для расчета частот оже-пе-реходов в квазимолекулах, содержащих два голых либо два экранированных иона и два возбужденных электрона. Показано, что в случае оже-ионизации атомов высокозарядныш ионами можно выделить две области расстояний между партнерами, где матричные элементы оже-переходов описываются двумя различными функциями от межьядерного расстояния.
-
Обнаружен новый процесс отрыва (с большой вероятностью) нескольких электронов от атомной частицы, помещенной в постоянное однородное электрическое голе, и разработана соответствующая асимптотическая теория с использованием функции Ірина однородного поля. Показано, что отношение вероятности отрыва нескольких электронов к одноэлектронному туннелированию пропорционально полошіте льной степени ПОЛЯ.
-
Построена асимптотическая (по большому расстоянию от иона до поверхности) теория двухэлэктронных процессов ожэ-нейтрализа-ции голых и экранированных ионов на поверхности металла с учетом его поляризации в виде заряда изображения. На примере столкнови-тельных систем На2+ + ыо(100) и Сэ+ + Mod00) подробно проанализирован вопрос об относительной роли различных каналов оке-нейтрализации ионов у поверхности и сопровождающей ее потенциальной эмиссии электронов.
-
Поставлена и решена задача о влиянии поступательного движения атома и иона на величину их обменного взаимодействия, позволившая получить правильную асимптотическую зависимость сечений перезарядки от энергии в борновской области.
-
Построена асимптотическая (по большим прицельным параметрам) неадиабатическая теория одноэлектронной перезарядки для произвольных (в том числе и релятивистских) скоростей и анергий связи. В ней отсутствуют трудности с кулоновскими граничными услови- . ями, присущие известной асимптотической теории Демкова-Островского.
10) На основе интегральных уравнений Додда-Грайдера, модифицированных для кулоновских взамодействий, развита последоза -льная теория реакции одноэлектронной перезарядки при столкновении водородоподобного атома с положительно заряженным ионом с
учетом эффектов многократного перерассеяния электрона. На примере реакции перезарядки протона на атоме, водорода выполнен последовательный теоретический анализ влияния кулсновского взаимодействия в конечном состоянии на угловые и энергетические распределения продуктов при умеренных энергиях.
-
В рамках полуклассической эйкональной теории и в приближении промежуточных состояний непрерывного спектра развит метод функций Грина, для вычисления вероятностей и сечений перезарядки, просуммированных та всем конечным электронным состояниям. Исследовано влияние эффектов экранирования налетапцего иона собственными электронами на величину сечения одноэлектронного захвата при быстрых ион-атомных столкновениях.
-
Предложен метод расчета суммарной (по всем конечным" электронным состояниям) вероятности и сечения- кулоновской перезарядки голого или экранированного иона на ориентированной молекуле или молекулярном ионе, связанный с применением ОБК-прибли-жения и функции Грина налэтащего иона. Исследованы эффекты интерференции в сечениях ион-молекулярной перезарядки, обусловленные МЕОгоцентровым характером распределения электронной плотности молекулярных систем.
13). На основе интегральных уравнений Додда-Грайдера разработан четырехчастичный формализм метода неказенных волн непрерывного спектра (МИВНС), применяемый для описания процессов дзух-электронного захзата в высокоэнергетических ион-атемных столкновениях. Привлекательной стороной МИВНС является последовательное рассмотрение асимптотики волновых функций в обоих каналах реакции, учитывающее дальнодейстзущув природу кулоновских взаимодействий.
14) Разработан шредингеровский формализм МИВНС для анализа процессов захвата с ионизацией в области промежуточных и больших скоростей сталкивающихся частиц. Установлена высокая чувствительность сечений захвата с ионизацией к эффектам искажений электронных волновых функций при промежуточных анергиях падающих частиц.
ручная 2 практическая ценность работы состоит в том.что в ней впервые и с единых позиций исследована большая совокупность одно- и двухэлектронных процессов с перераспределением, представляющих интерес как для развития атомно-молекулярной физики в целом, так и для многочисленна приложений в смежных областях. Процессы перезарядки с возбуждением играют важную роль в образовании инверсной заселенности уровней ионов в плазме, благодаря чему имеется возможность создания еовых лазерных систем. Сведения об элементарных процессах с участием многозарядных ионов применяются в рентгеновской спектроскопии и диагностике высокотемпературной астрофизической и лабораторной плазмы.
В работе количественно воспроизведен ряд установленных в эксперименте явлений, а именно: преобладание двухэлектронного обмена над одноэлектронным при столкновениях Ее + С*+ и R + їЄ* (R=He, Ne.Ar.Kr.Xe); сильное влияние кулоновского перерассеяния заряжен-, ных частиц в конечном состоянии на формирование угловых и энергетических зависимостей сечений реакции перезарядки протона на атоме водорода; высокая чувствительность величины полного сечения захвата с ионизацией к характеру искажений электронных волновых функций при промежуточных энергиях падающих частиц.
Для реакций Не + С4+— Ее2+ + 02-1- . Ее + Ат6* — Ее2+ + Аг4+, R + Jrf— R2"1" + R (R=He,Ne,Ar,Kr,Xe) установлены механизмы,вычислены сечения, которые могут быть использованы для моделирования
работы- различных устройств. Выявлены законы подобия (скейлингэ) для сечений резонансной двухэлектронной перезарядки голых ядер на гелиеподобных ионах, которые можно использовать для предсказания экспериментальных результатов.
Предложены и проанализированы механизмы оке-нейтрализации медленных многозарядных ионов у поверхности металла и сопровождающей ее потенциальной эмиссии электронов. Обнаружена возможность двухэлектронного распада отрицательного иона з постоянном однородном электрическом поле в результате нового физического процесса - ионизации оставшегося атома протуннелировавшим и улетающим от атома первичным, электроном. Исследованы эффекты интерференции в сечениях ион-молекулярной перезарядки.
Полученные в работе результаты использованы в экспериментальных и теоретических работах других авторов по физике столкновений. Построенная в диссертации асимптотика волновой функции атомного электрона вблизи возмущающего иона в настоящее время используется при решении многих задач физики атомных столкновений, связанных с нерезонансннми переходами электрона от одного центра к другому. Отдельные результаты работы освещены в ряде монографий и обзоров, а также включены в материалы "Международного Бюллетеня по атомным и молекулярным данным для УТС", выпускаемого МАГАТЭ.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на XVI Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Нью-Йорк, 1989г.), на XII Международном симпозиуме по физике ионизированного газа (Шибеник, . 1984г.), на VI Международной конференции по физике многозарядных ионов (Канзас, 1992г.), на ПІ Европейской конференции по теории малочастичных систем (Ужгород, 1990г.), на
YIII-X Всесоюзных конференциях та физике электронных и атомных столкновений (Санкт-Петербург, 1981г.; Рига, 1984г.; Ужгород, 1988г.), а также на научных семинарах в НИИЯФ ЫГУ, ФИРАН, МФТИ, РЩ - Курчатовский институт, ФЭИ и УжГУ.
Публикашш. Диссертация написана го материалам опубликованных работ, список которых приводится в конце автореферата И-41].
Вклад автора в публикации, составляющие основу диссертации, является определяпцим.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и четырех прилокений. Она содержит 442 страницы в сплошной нумерации, включая 29 рисунков, 9 таблиц и библиографию из 317 наименований.
