Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состоянии исследований фотоотрыва от отрицательных ионов 16
1.1 Механизмы образования ОИ 16
1.2 Результаты исследований предыдущих лет 18
Глава 2. Многоэлектронный корреляции в процессах фотопоглощения 26
2.1 Амплитуда и сечение фотоотрыва от многоэлектронной системы 26
2.2 Приближение самосогласованного поля Хартри Фока 27
2.3 Приближение случайных фаз с обменом - ПСФО 29
2.4 Динамическая поляризация 33
2.5 Статическая релаксация 38
2.6 Резонансы в системе «атомная мишень + электрон» 41
Глава 3. Околопороговые резонансы и резонансы формы в фотопоглощении внутренней 4d оболочкой Sn 45
3.1 Гигантские резонансы в атомах и ионах 45
3.2 Метод расчета. Спин-поляризованное приближение 47
3.3 Результаты вычислений 49
3.3.1 Приближения Хартри-Фока и ПСФО 49
3.3.2 Учет статической перестройки электронных оболочек 51
Глава 4. Резонансные явления в окрестности порогов ионизации глубоких оболочек 56
4.1 Метод расчета. Квазиатомная модель 57
4.3 Отрицательный ион Sn~. Фотоотрыв от промежуточной 4d оболочки 61
4.4 Отрицательный ион Li~. Фотоотрыв от внутренней Is оболочки 63
4.5 Отрицательный ион С". Фотоотрыв от внутренней Is оболочки Отрицательный ион Si". Фотоотрыв от внутренних 2s и 2р оболочек 69
Глава 5. Фотопоглощение Is оболочки LP с возбуждением электрона из наружной оболочки . 81
5.1 Метод расчета 81
5.2 Учет многоэлектронных корреляций. Выбор волновых функций 86
Заключение 90
Литература 92
- Приближение самосогласованного поля Хартри Фока
- Резонансы в системе «атомная мишень + электрон»
- Учет статической перестройки электронных оболочек
- Отрицательный ион С". Фотоотрыв от внутренней Is оболочки Отрицательный ион Si". Фотоотрыв от внутренних 2s и 2р оболочек
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Исследования электронной структуры и спектральных характеристик атомов, ионов и молекул, находящихся как в свободном состоянии, так и в среде, имеют длительную историю, которая началась практически с момента появления квантовой механики. Однако в настоящее время большой интерес, как с фундаментальной, так и практической точки зрения представляет изучение свойств различных центров и наноструктур в твердых телах, созданных при различных видах воздействия: легировании (введении легирующих примесей, путем тепловой диффузии, ионной имплантации или эпитаксии), облучении (электронами, нелегирующими ионами). При этом часто происходит изменении зарядового состояния атомных и молекулярных центров. Появление различных заряженных центров приводит к существенному изменению электронной структуры окружения и, как следствие, к изменению основных свойств. Кроме того, в физике конденсированного состояния положительно и отрицательно заряженные центры играю очень важную роль в фотопроводимости.
Фотопоглощение и фотоэффект относятся к тем фундаментальным процессам, изучение спектральных характеристик которого является важнейшей научной задачей.. Фотоны весьма слабо взаимодействуют с мишенью, не изменяя её основного и возбужденного состояний. Поглощение фотона приводит лишь к переходам между ними, а его энергия определяет, в какое именно из состояний может быть совершен переход из начального состояния вследствие поглощения фотона. Этим процесс фотопоглощения как источник информации о структуре выгодно отличается от других процессов, таких как рассеяние (упругое и неупругое) электронов, протонов или других частиц, где налетающая частица заметно деформирует мишень. Благодаря локализованному характеру фотовозбуждения остовных, в особенности глубоких, энергетических уровней можно выделить квазимолекулярные и квазиатомные особенности в спектрах фотопоглощения твердых тел, что
существенно расширяет объем информации, извлекаемой из экспериментальных данных [1,2].
Обычно процесс взаимодействия квантов большой энергии с отдельными атомами твердых тел, когда фотопоглощение происходит на электронах внутренних оболочек, вполне адекватно может быть описан в рамках квазиатомной модели или даже модели свободного атома. Причем особенности в сечениях ионизации центров в среде и их отличия от атомных сечений в основном возникают при описании конечного состояния, когда фотоэлектрон движется в периодической структуре твердого тела. Эти процессы в нейтральных и положительно заряженных центрах многие годы привлекали внимание физиков и широко обсуждались в научной литературе [1,3].
Однако фотопоглощение квантов больших энергий отрицательно заряженными центрами было изучено существенно меньше, что, прежде всего, связано с большей ролью многоэлектронных эффектов в этих процессах по сравнению с нейтральными атомами. Причем роль многоэлектронных корреляций в них часто оказывается значительно большей, чем влияние окружения этих центров. Поэтому первым шагом к исследованию фотопоглощения отрицательных центров при энергиях фотонов, близких к порогам ионизации внутренних оболочек, является исследование с наиболее полным учетом многоэлектронных корреляций изолированных отрицательных ионов (ОИ), волновая функция конечного состояния которых еще не подвержена изменению за счет окружения. Кроме того, ОИ привлекают внимание, как теоретиков, так и экспериментаторов сами по себе — они вовлечены во многие процессы в земной атмосфере, с их участием происходит электрический разряд и явление пробоя в электроотрицательных газах, практически ОИ применяются в тандемных и циклических ускорителях заряженных частиц. С точки зрения теории структурные особенности и динамика процессов с участием этих частиц представляют прекрасный тест для различных теоретических подходов [4], рассматривающих многочастичные эффекты.
До настоящего времени экспериментально исследовались только процессы фотопоглощения внешними оболочками ОИ. Это было связано с трудностями получения достаточно высокой концентрации ионов в пучке для экспериментального исследования. Теоретические расчеты также в основном касались фотоотрыва электронов от наружных оболочек ОИ. Только в середине 90-х годов появилось несколько теоретических работ, где были получены особенности в поведении сечений на порогах внутренних оболочек ряда ОИ [4,5]. Только в последнее годы значительный прогресс, достигнутый в синхротронной технике, сделал возможным изучение- спектральных и угловых характеристик глубоких оболочек многоэлектронных систем (МС). Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что полное и дифференциальное сечения фотопоглощения очень чувствительны к электронной структуре исследуемого объекта в области энергий Е < 100 эВ.
Наиболее подробно исследовался процесс фотоотрыва Is электронов от метастабильного ОИ гелия [4]. Одним из простейших и наиболее интенсивно исследуемых в настоящее время ионов является ОИ лития с замкнутой наружной оболочкой [6,7]. Именно его исследование привлекло значительное внимание, как экспериментаторов, так и теоретиков, поскольку вопреки ожиданиям были получены существенные отклонения в поведении и величинах сечений от сечений фотоионизации в нейтральных атомах.
Электронная структура ОИ лития имеет простой вид: ls22s2. Первое подробное теоретическое исследование ионизации внутренней оболочки этого иона было проведено в 2001 году [6]. В этой работе были получены парциальные и полные сечения фотоотрыва от внутренней Is оболочки. Полученные результаты демонстрировали крайне нетипичное для нейтральных атомов и ионов поведение сечения фотоионизации. В частности, был обнаружен резкий околопороговый резонанс (порядка 40 Мбарн) и целая серия резонансов (высотой в максимуме порядка 20 Мбарн) при более высоких энергиях. Эти резонансы были идентифицированы авторами как открытие новых каналов в процессе фотоионизации Is оболочки, связанных с
возбуждением внешнего 2s электрона в дискретный спектр. Было заявлено [6], что эти резонансы имеют аномально большую величину по сравнению с аналогичными пороговыми процессами в нейтральных атомах. Эти исследования вызвали широкий резонанс в ведущих научных изданиях и на международных конференциях [6,7,8,9,10]. Было исследовано фотопоглощение в глубоких оболочках целого ряда более сложных ионов С, Si~, Be", Na~, К" и обнаружен ряд эффектов, не проявлявшихся при изучении фотоотрыва от наружных и промежуточных оболочек [4,5,11].
Таким образом, разработка подхода, позволяющего адекватно описывать вклад квазиатомных особенностей, в особенности многоэлектронного взаимодействия, в амплитуды фотопоглощения глубокими оболочками различных заряженных центров в твердом теле является актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена теоретическому исследованию процессов фототрыва электронов из внутренних оболочек в окрестности порогов внутренних оболочек и роли многоэлектронных эффектов в описании резонансного поведения сечений фотопоглощения ОИ. В качестве основных
объектов рассмотрения выбраны отрицательные ионы с заполненными и полузаполненными внешними оболочками Li~, С", Si", Sn~. Исследуются различные многоэлектронные процессы, происходящие при взаимодействии внешнего электромагнитного излучения с ОИ, такие как внутриканальное и межканальное взаимодействие, интерференционные, поляризационные и релаксационные эффекты. Основное внимание уделяется околопороговым резонансам в полных и парциальных сечениях фотоотрыва электронов вблизи порогов ионизации внутренних и промежуточных оболочек. Как правило, появление этих резонансов определяется квазистационарными состояниями вылетающего электрона в поляризационном поле атомного остатка. Однако в ряде ОИ, в частности ОИ лития, эти резонансы отсутствуют, поэтому задача состоит в определении физических причин их появления и отсутствия. Кроме того, значительная часть работы посвящена исследованию процесса
фотопоглощения внутренними оболочками ОИ с одновременным возбуждением электронов наружной оболочки иона в дискретные состояния.
Цель работы заключается в исследовании роли различных многоэлектронных процессов при резонансном фотопоглощении в глубоких оболочках отрицательно заряженных центров и ОИ в области вакуумного ультрафиолета
Основные задачи работы состоят в следующем.
Выявление роли различных многоэлектронных эффектов: межоболочечного взаимодействия, статической перестройки, динамической поляризации в описании процессов фотоотрыва от глубоких оболочек отрицательно заряженных центров и ионов;
Теоретическое исследование резонансных особенностей процессов фотоотрыва электронов от глубоких оболочек отрицательных ионов;
Разработка квазиатомной теоретической модели, позволяющей учитывать многоэлектронные корреляции при исследовании фотопоглощении внутренних оболочек отрицательно заряженных МС;
Расчет сечений фотоотрыва от ОИ Li~, С", Si~, Sn~ в окрестности порогов ионизации глубоких и промежуточных оболочек;
Определение причин появления или отсутствия резонансов в поведении околопорогового сечения фотопоглощения в указанных ионах;
Разработка подхода, позволяющего в рамках теории многих тел (ТМТ) и многочастичной теории возмущений (МТВ) описать процесс фотоотрыва электрона от внутренней оболочки с одновременным возбуждением наружного электрона в дискретный спектр
Расчет сечений фотопоглощения внутренними оболочками с возбуждением наружных электронов в дискретные состояния для ОИ Li~
Научная новизна работы Разработана эффективная теоретическая модель, позволяющая определять сечение фотопоглощения с учетом многоэлектронных корреляций: влияния поляризации на электроны в основном состоянии и на вылетающий электрон,
статической перестройки электронных оболочек в результате фотопоглощения, эффектов межоболочечного (межканального) взаимодействия. В рамках разработанной модели получены впервые:
(а) сечения фотоотрыва электронов из промежуточной Ad оболочки
тяжелого ОИ Sn~,
(б) сечения фотопоглощения внутренней 2р оболочки иона Si~,
(в) сечения фотоотрыва электронов из внутренних Is оболочек для ионов
Li~ и С". Получено хорошее согласие с экспериментальными данными.
Показано, что появление околопороговых резонансов связано с незаполненными оболочками в отрицательно заряженных центрах.
Разработано теоретическое описание процесса ионизации внутренней оболочки с одновременным возбуждением электрона наружной в рамках ТМТ иМТВ.
Получено сечение фотопоглощения с возбуждением для ОИ ЬГ, удовлетворительно описывающее имеющиеся экспериментальные данные.
Научная и практическая ценность работы
Создана простая эффективная модель, позволяющая наглядно учитывать
основные многочастичные эффекты при фотоотрыве электронов от глубоких
оболочек отрицательно заряженных МС в рамках ТМТ и МТВ. Разработанная
модель может быть применена для расчетов параметров фотопоглощения
*
других ОИ и отрицательно заряженных центров в твердом теле. Полученные результаты дают хорошее качественное и количественное представление о роли и вкладе различных многоэлектронных эффектов в процессах фотоотрыва электронов от глубоких оболочек ОИ. Сравнение получаемых результатов в изолированных ОИ с поглощением фотонов отрицательно заряженными центрами в твердом теле позволит выделить эффекты, связанные с влиянием окружения этих центров. Разработанный метод описания фотопоглощения с возбуждением наружных электронов также может быть использован для расчета более сложных многоэлектронных систем, как в физике атома, так и в физике твердого тела.
Личный вклад автора
анализ и оценка вкладов различных многоэлектронных корреляций в процесс фотоотрыва от глубоких внутренних оболочек
разработка модели, учитывающей динамическую поляризацию путем введение параметрического модельного потенциала одновременно со статической релаксацией.
разработка подхода в рамках квантовой теории многих тел и многочастичной теории возмущений описывающего процесс фотоионизации с возбуждением
модернизация комплекса программного обеспечения для расчетов фотоионизации с возбуждением
непосредственный расчет сечений фотоионизации ОИ ЬП, С", Si-, Sn~
Положения, выносимые на защиту
Квазиатомная модель, позволяющая учитывать влияние динамической поляризации на вылетающий электрон путем введения параметрического поляризационного потенциала одновременно с интерференционными и релаксационными эффектами, описывает поведение сечения фотоотрыва электронов от отрицательно заряженных центров в окрестности порогов глубоких оболочек.
Перестройка электронных оболочек заряженных центров оказывает решающее влияние на поведение сечений фотоотрыва в окрестности порогов глубоких и промежуточных оболочек.
Поляризационное взаимодействие между фотоэлектроном и нейтральным остовом ответственно за формирование околопороговых резонансов в квазиатомных системах с открытой наружной оболочкой. В системах с замкнутой наружной оболочкой околопороговый резонанс, как правило, не проявляется.
Величины резонансных сечений фотоотрыва электронов от внутренних оболочек с возбуждением наружных электронов в дискретные состояния
нейтрального атома существенно превышают аналогичные сечения в нейтральных атомах.
Апробация работы
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
4,6,7 и 8-й международных конференциях по неразрушающим методам и компьютерному моделированию в науке и технике (International Workshop on New Approaches to Hi-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering, NDTCS,) (Санкт-Петербург, 2000, 2002, 2003, 2004);
13-й международной конференции по физике вакуумного ультрафиолета (International Conference on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics, VUV-2001,)( Trieste, Italy, 2001);
5-й Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. Фундаментальные Исследования в Технических Университетах (Санкт-Петербург, 2001);
34-й международной конференции Европейской группы по атомной спектроскопии (European Group on Atomic Spectroscopy Conference, EGAS,)( Sofia, Bulgaria, 2002);
международных конференциях по фотоионизации (International Workshop on Photoionization, IWP)(Carry-le-Rouet, France, 2000; Spring-8, Hyogo, Japan,2002);
22-й и 23-й международных конференциях по физике электронных и атомных столкновений (International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions, ICPEAC, Santa-Fe, New Mexico, USA, 2001; Stockholm, Sweden, 2003);
8-ой Европейской конференции по атомной и молекулярной физике (The eighth European Conference on Atomic and Molecular Physics" -ECAMP-8, Rennes, France, 6-10 July 2004).
Результаты работы докладывались на научных семинарах Физико-Технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета, Санкт-Петербургского Государственного университета, на неделе науки СПбГТТУ.
Публикации: основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных работах:
Иванов В.К.; Кашенок Г.Ю.; Лапкин К.В. Резонансы коллективной природы в процессах фотоотрыва от отрицательных ионов с полузапо;.ненной наружной оболочкой // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2001. т 4. №26. С. 103-111.
Ivanov V.K.; Kashenock G.Yu.; Lapkin K.V. Rearrangement effects in inner-shell photodetachment from Sn- negative ion II Proc. SPIE. 2001. 4348, P. 92-97.
Lapkin C.V.; Ivanov V.K.; Kulov M.A. Inner-shell Photodetachment of Lithium Negative Ion with Excitation II Proc. SPIE. 2003. 5127. P. 37-41.
Иванов B.K.; Лапкин K.B.; Кулов M.A. Фотоотрыв электронов из Is оболочки отрицательного иона лития // Письма в Журнал Технической Физики. 2003. т.29. № 15. С. 9-17.
Lapkin C.V; Ivanov V.K. Inner-shell Photodetachment of negative ions II Proc. SPIE. 2004. 5400. P. 42-46.
Lapkin C.V.; Ivanov V.K. Photodetachment of Si~ negative ion in the vicinity of 2s threshold II Proc. SPAS. 2004. 8. P. 19-20
Кроме того, автором опубликован целый ряд работ, включая тезисы международных и всероссийских конференций: работы [84,85,91,99,114-131] в списке цитируемой литературы.
Структура диссертации
Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения.
Первая глава носит обзорный характер. Она содержит обзор современной литературы по теме диссертационной работы. Кроме этого, в первой главе описываются основные механизмы образования отрицательных ионов, дается краткое описание современных экспериментальных методик и основных теоретических подходов.
Вторая глава посвящена классификации основных многоэлектронных поправок, выходящих за рамки ПСФО, которые необходимо учитывать для корректного описания процесса фотоотрыва от глубоких и промежуточных оболочек. Описаны эффекты статической и динамической поляризации, которые учитывают тот факт, что фотоэлектрон, дополнительный по отношению к нейтральному атому, при движении существенно деформирует нейтральный остов. Это влияние может быть учтено статически, путем введения различных модельных потенциалов [12], этого часто бывает достаточно для описания фотоионизации глубоких оболочек. С другой стороны, эффекты поляризации могут быть учтены путем введения динамического нелокального поляризационного потенциала, учитывающего обмен, который в рамках Теории Многих Тел (ТМТ) может быть записан как неприводимая собственно-энергетическая часть одночастичной функций Грина, которая вычисляется ab initio^ с точностью до второго порядка многочастичной теории возмущений (МТВ). Также подчеркивается, что для адекватного описания фотоионизации необходим учет поляризационных поправок, как для вылетающего фотоэлектрона, так и для основного состояния рассматриваемого иона. Рассматривается также эффект статической релаксации, который, как показали расчеты проведенные в последние годы, вносит определяющий вклад в поведение полных и парциальных сечений при фотоотрыве от глубоких и промежуточных оболочек. Этот эффект заключается в том, что образование вакансии в ионе вызывает деформацию его электронного облака, электронные оболочки существенно "проседают", "перестраиваются". Влияние перестройки
менее заметно для электронов, вырываемых из наружной оболочки, и быстрых электронов. Другой важный процесс, вносящий существенный вклад в процесс фотоотрыва от глубоких оболочек, это одновременное возбуждение электронов из наружной оболочки в дискретный спектр. Такое возбуждение- может происходить двумя способами: фотоэлектрон, вылетая из внутренней оболочки, выбивает (возбуждает) электрон наружной оболочки ("выбив с ходу") либо возбуждение наружного электрона происходит за счет деформации электронного облака, вызванного образованием вакансии во внутренней ("встряска"). Эти процессы проявляются в виде ряда резонансов в сечении фотоионизации за порогом возбуждения внутренней оболочки, соответствующие возбуждениям наружного электрона в различные состояния. Кроме этого, во второй главе кратко описываются основные теоретические подходы, используемые в данной работе. Описывается нулевое приближение — приближение Хартри-Фока, внутри- и межоболочечные корреляции ПСФО, метод уравнения Дайсона (УД) для учета поляризации.
Третья глава посвящена изучению фотоионизации промежуточной Ad оболочки тяжелого отрицательного иона Sn~. Получены сечения фотоотрыва от этой оболочки в рамках приближений ХФ и ПСФО с учетом и без учета статической релаксации. Энергии и волновые функции основного состояния иона получены с учетом динамической поляризации в рамках метода УД. Из основных результатов главы можно выделить следующее: в парциальном сечении фотоперехода Ad—+sf обнаружен гигантский резонанс, который предполагалось обнаружить на основе анализа результатов фотоионизации на более легких отрицательных ионах Сг" и Ge~. Показано, что определяющая роль статической релаксации при рассмотрении фотоотрыва от промежуточных оболочек.
В четвертой главе рассмотрены пороговые эффекты, возникающие при фотопоглощении глубоких оболочек отрицательных ионов с заполненной и полузаполненной наружной оболочкой: Li~, С", Si~ и Sn~. Для расчета применены различные методы МТВ и ТМТ. Был разработан модельный подход,
позволяющий адекватно учитывать вклад динамической поляризации остова вылетающим электроном в сечение фотоотрыва одновременно с релаксационными и интерференционными эффектами. Основные результаты состоят в следующем: получены сечения фотоионизации Is оболочки ионов ЬГ и С", 25 и 2р оболочек иона Si~, 4d оболочки иона Sn~. Обнаружено, что на пороге ионизации сечение фотоотрыва внутренних оболочек ионов с полузаполненными оболочками (С-, Si~ ,Sn~) ведет себя несколько иным образом по сравнению с наружными оболочками ОИ и внутренними оболочками ионов с замкнутой конфигурацией (ЬГ). В частности, обнаружен существенно более высокий пик на пороге Is оболочки: порядка 3-4 Мбарн для ЬГ и порядка 15-20 Мбарн для С~. Данные расчетов для ионов ЬГ и С" находятся в хорошем согласии с экспериментом.
В пятой главе исследуется роль явлений, связанных с возбуждением наружной электронной оболочки при отрыве электрона из внутренней оболочки ОИ. Процесс рассмотрен на примере иона ЬГ. Проанализирована роль двух типов процессов ("выбивания с ходу" и "встряски"), приводящих к возникновению серии резонансов в сечении фотоотрыва сразу за порогом ионизации внутренней оболочки. Оценена роль многоэлектронных поправок, учитывающих динамическую поляризацию и релаксацию. Основные результаты: на пороге вычисленное сечение не имеет мощного максимума предсказанного в [6] и хорошо согласуются с экспериментально полученными данными [7,8]. Все вычисления демонстрируют резонансное поведение сечения при энергиях фотона, соответствующих возбуждению наружного 2s электрона. Полученные в работе сечения имеют в максимуме существенно меньшее сечение, чем предсказано в работах [6,8] и численно лучше согласуются с экспериментом.
Приближение самосогласованного поля Хартри Фока
Наиболее простой механизм образования ОИ состоит в непосредственном захвате свободного электрона полем нейтрального атома [13]. Если до соударения кинетическая энергия электрона равна Е, а энергия сродства данного атома к электрону равна Еа, то излишек энергии системы после захвата есть Е+Еа и он должен быть как-то «отобран» от образовавшегося ОИ. Эта энергия может быть выделена путем излучения фотона или унесена каким-либо третьим телом, участвующим в образовании ОИ. Другой процесс, ведущий к образованию ОИ, связан с поглощением внешнего излучения молекулой и последующей её диссоциацией на разноименные заряженные ионы. Кроме того, отрицательные ионы могут образовываться при столкновениях электронов с молекулами, избыток энергии при этом уносится продуктами диссоциации молекулы. Этот процесс может протекать двумя путями: XY+ е — Х+ V, такая реакция называется диссоциативным прилипанием, либо XY+ е — )f + Y + е - полярная диссоциация. ОИ также могут образовываться при столкновениях нейтральных частиц в реакциях вида: X+Y+e —+X + Y , когда частица X захватывает электрон, принадлежащий ранее частице Y. Другая возможность состоит в том, что при столкновении с нейтральной частицей Y положительный ион X может захватить два электрона с образованием отрицательного иона: Х + Y — Х + Y . Каждому из рассмотренных процессов образования ОИ соответствует обратная реакция распада ОИ. Например, рассматриваемое в данной работе фотопоглощение является процессом, обратным к радиационному прилипанию электрона к нейтральному атому [13].
Основная причина связывания электрона — поляризационное притягивающее взаимодействие: под влиянием заряда электрона происходит перераспределение заряда в атомах, то есть их поляризация, возникает дипольный момент атома, в поле которого и находится дополнительный электрон. В простейшем случае это поле на больших расстояниях от атома опиывается статическим поляризационным потенциалом вида У{г) = -—- , где а - статическая дипольная поляризуемость атома. Однако, вблизи атома при г - 0 этот потенциал сингулярный. ХФ потенциал тоже носит характер притяжения, но он короткодействующий и его силы в ряде случаев, к примеру, в атомах щелочноземельных элементов, оказывается недостаточно для образования отрицательного иона. Чтобы избавиться от нефизической сингулярности в потенциале и в то же время описать основное состояние ОИ с помощью одночастичного уравнения Шредингера, приходится использовать потенциалы более сложного вида с набором подбираемых, о есть феноменологических, параметров.
С теоретической точки зрения наличие поляризационного потенциала представляет собой проявление чисто корреляционных эффектов, поскольку в формировании этого потенциала участвуют многие электроны атома, по крайней мере, все электроны наружных оболочек. Поляризационное взаимодействие при этом описывается собственно — энергетической частью одночастичной функции Грина и определяется диаграммами (2.20). В рамках приближения ХФ связанного состояния ОИ обычно не существует, в том смысле, что полная хартри-фоковская энергия ОИ, как правило, больше суммы энергии нейтрального атома и электрона на бесконечности. Тем не менее, основное состояние ОИ с числом электронов более одного в наружной оболочке может быть вычислено в рамках ХФ и определены ХФ собственные волновые функции и одночастичные энергии электронов. Так же могут быть вычислены волновые функции возбужденных состояний, среди которых, как правило, нет связанных состояний, а только функции сплошного спектра. Это позволяет использовать стандартный полный набор ХФ функций для определения матричных элементов и амплитуд, используемых затем для вычисления собственно-энергетической части. Основным методом, позволяющий учесть собственно-энергетическую часть и получить связанное состояние ОИ является метод, основанный на уравнении Дайсона (УД).
К настоящему моменту имеется очень большое количество как экспериментальных, так и теоретических работ, посвященных изучению фотоотрыва от различных ОИ [4,5 и ссылки в них]. Однако подавляющее большинство работ посвящено исследованию фотоионизации наружных оболочек ОИ. В этих работах можно выделить несколько основных направлений.
Первое направление — исследование фотопоглощения ОИ с полностью заполненными оболочками. Благодаря относительной простоте и симметричности эти ионы наиболее полно и подробно исследованы как экспериментально, так и теоретически. Для изучения простейшего отрицательного иона - иона водорода Н были применены практически все известные теоретические методы [14,15,16]. Большое внимание также привлекал фотоотрыв от наружных оболочек ОИ щелочных металлов [17,18,19]. Все расчеты и эксперименты демонстрировали типичное поведение полного сечения фотоионизации: околопороговый резонанс формы в ns сечении и сильное влияние многоэлектронных корреляций на околопороговое поведение сечения и величину резонансного пика. Другие исследованные резонансные эффекты связаны с образованием вигнеровских особенностей, появляющихся на пороге открытия новых каналов ионизации [19,20,21]. Различные резонансные особенности также были обнаружены в парциальных сечениях фотоотрыва в этих ионах [22,23,24,25].
Резонансы в системе «атомная мишень + электрон»
Еще одним объектом, который привлек внимание теоретиков, был ОИ Сг [52,53]. Наибольший интерес представлял переход из внутренней Зр оболочки в вакантные состояния 3d оболочки. В нейтральных атомах и положительных ионах с незамкнутой 3d оболочкой такие переходы приводят к формированию гигантских автоионизационных резонансов в спектрах фотоотрыва. Расчет проводился в рамках спин-поляризованного ПСФО, с учетом поляризационных поправок в рамках метода УД и эффектов релаксации. Вычисления [54] обнаружили резонансное поведение сечения в окрестности порога Зр оболочки, связанное с формированием квазисвязанного состояния и последующим его автоионизационным распадом в Зр, 3d и 45 каналы. Это проявилось в виде резонанса формы в парциальном сечении Зр[—+zdl перехода. Было показано, что многоэлектронные корреляции оказывают очень существенное влияние на его форму. Кроме того, благодаря межканальному взаимодействию Зр{—+edl резонанс оказывает существенное влияние на поведение остальных парциальных сечений. Наиболее сильно этот вклад проявился в парциальном сечении 3dt- eft перехода и угловом распределении электронов, в которых наблюдались резонансы оконного (window) типа.
Однако основное внимание в научной прессе вызвали начавшиеся в последние несколько лет интенсивные экспериментальные и теоретически исследования фотопоглощения в глубоких оболочках целого ряда ОИ с заполненными и полузаполненными оболочками в окрестностях соответствующих порогов. В; частности, был обнаружен целый ряд резонансных особенностей в сечения фотоотрыва в окрестности порога Is оболочки иона Не". Обнаруженные особенности ассоциировались с различными конечными состояниями нейтрального Не [55,56,57]. Проведенные теоретические исследования в рамках подходов / -матрицы и Много-Конфигурационного ХФ (МКХФ) выявили более сильное влияние многоэлектронных корреляций по сравнению с нейтральными объектами.
Неожиданная и аномальная картина была предсказана для сечения фотоотрыва от Is оболочки другого простого ОИ - иона с замкнутыми оболочками \s22s2 Li" [6]. В этой работе были получены парциальные и полные сечения фотоотрыва от внутренней Is оболочки. Полученные результаты демонстрировали крайне нетипичное для нейтральных атомов и ионов поведение сечения фотоионизации. В частности, был обнаружен резкий околопороговый резонанс, интерпретированный как ls2s 2р состояние, величиной порядка 40 МБарн, что почти на два порядка превышает соответствующее сечение фотоионизации нейтральных атомов. При более высоких энергиях обнаружена целая серия резонансов (высотой в максимуме порядка 20 МБарн). Эти резонансы были идентифицированы авторами как открытие новых каналов в процессе фотоионизации Is оболочки, связанных с возбуждением внешнего 2s электрона в дискретный спектр. Было заявлено [6], что и эти резонансы имеют аномально большую величину по сравнению с аналогичными пороговыми процессами в нейтральных атомах. Однако экспериментально полученные абсолютные [7] и относительные [8] сечения фотоотрыва от Is оболочки \л не обнаружили предсказанного резонанса на пороге, но в то же время, серия резонансов сразу за порогом была обнаружена, но с существенно меньшими амплитудными значениями. Более того, сравнение вклада \s2s2p резонанса и фонового значения сечения показало, что для внутренних оболочек процесс фотоионизации с возбуждением (двухэлектронный процесс) более вероятен, чем одноэлектронный фотоотрыв.
Другой объект, исследование которого показало очень важную роль двухэлектронных процессов фотоионизации с возбуждением — ОИ Na . Этот объект имеет структуру: \s22s22p63s2. В работе [11] были измерены полные сечения фотоотрыва в диапазоне энергий 30-51 эВ. При возбуждении электронов из 2р оболочки имеет место два возможных канала реакции. Первый представляет собой простое нерезонансное возбуждение 2р электрона в непрерывный спектр и сечением этого фотоперехода определяется фон 3-5 МБарн в полном сечении. Стоит отметить, что ион Na также демонстрирует обычное для ОИ поведение сечения фотоотрыва на пороге, без аномальных максимумов. Второй канал соответствует процессу фотоионизации с возбуждением, когда фотоотрыв электрона из 2р оболочки сопровождается возбуждением наружного 3 электрона в дискретное состояние и именно этот канал ответственен за резонансную структуру в сечении. Вблизи порога в сечении наблюдался небольшой максимум, интерпретируемый авторами как 2p53s23d конфигурация возбужденного нейтрального остатка. Наиболее интересен очень сильный и узкий резонанс в сечении при энергии 36.2 эВ. Этот пик очень близок по энергии к порогу 2p53s4s возбужденного состояния атомного Na, причем лежит чуть ниже этого состояния. Таким образом, образуется резонансное состояние ниже порога, известное как резонанс первого типа (резонанс Фешбаха). Распад таких резонансов в родительское состояние энергетически запрещен, поэтому они распадаются в какое-то другое, неродительское состояние. Так как такой распад сопровождается изменением конфигурации системы, резонансы Фешбаха обычно долгоживущие и ширина их мала. Таким образом, показано, что в отличие от фотоионизации нейтрального Na [58] сечении фотоотрыва определяется многоэлектронными эффектами, и в частности двуэлектронным возбуждением.
Несколько отличное околопороговое поведение демонстрирует другой ОИ, ион с полузаполненной наружной оболочкой С" [59]. Экспериментальное и теоретическое (в рамках подхода /J-матрицы) исследование фотоперехода Is— 2р обнаружило наличие резонанса формы, связанного с образованием квази-связанного состояния в \s2s22pA (V), аналогичного состоянию ls22s2p4 (Р), формирующегося при фотоотрыве от наружной 2s оболочки[60,61]. Подробнее процессы, происходящие при фотоионизации С будут описаны в четвертой главе.
Учет статической перестройки электронных оболочек
Вылетающий или возбужденный электрон Vi оказывается не в поле так называемого "замороженного" остова с вакансией \2, а в поле остова, перестроенного вследствие образования вакансии. Это заметно сказывается на волновых функциях фУ. Последние, как видно, определяются уравнением ХФ (2.40) для j F, причем в сумме по к устраняется член с к = и Функции заполненных электронных состояний находятся из уравнения (2.41 ),то есть таких, в которых в сумме по к также устранен член к =і. В рамках ОПСФО аналогично модифицируются и одноэлектронные функции промежуточных состояний. Соответственно, уравнения ПСФО должны быть изменены к вместо (2.16) они имеют следующий вид [67]:
Эта система уравнений представляет обобщенную версию ПСФО или ОПСФО. Она выходит за пределы теоретически последовательного подхода ПСФО за счет учета того, что в то время как вылетающий фотоэлектрон оставляет ион, все состояния атомных электронов модифицируются благодаря образованию этой вакансии. В результате этой перестройки, или релаксации поле остова, действующего на фотоэлектрон, оказывается измененным. Это влияет на сечение фотоионизации, более или менее, в зависимости от энергии фотоэлектрона.
Расчеты ОПСФО производятся для радиальных частей функций и матричных элементов, поэтому V2,4 включает два квантовых числа «2,4 и /2,4- Как уже отмечалось, релаксация состояний атомных электронов, вызванная возникновением дырки, ведет к модификации потенциалов ионизации электронов по сравнению с их ХФ значениями. Поэтому в расчетах ОПСФО, как уже упоминалось выше, в качестве энергий вакансии используются экспериментальные потенциалы ионизации вместо ХФ значений.
Результаты ОПСФО заметно отличаются от результатов ПСФО вблизи порогов промежуточных оболочек, в особенности, если сечение ионизации данной оболочки сосредоточено в основном вблизи ее порога. С ростом энергии фотоэлектрона влияние перестройки и изменения положения порогов ионизации быстро уменьшаются.
Резонанс - нестационарное (короткоживущее) состояние атомной системы (или молекулы). Термин "резонанс" в этом контексте, а также его синонимы "compound state", "temporary negative ion", были введены при изучении некоторых процессов, сопровождающих рассеяние электрона на атомах (мишенях). Резонансы имеют место при вполне определенных энергиях электронов, покидающих окрестность атома. Система "атом + электрон" в этом случае может рассматриваться как сложное, составное (compound) состояние, в котором вылетающий электрон присоединяется к атому на время, которое превышает нормальное время прохождения вблизи атома.
В атомах резонансы возникают, главным образом, на базе возбужденных (ридберговских) состояний (core-excited resonance), при присоединении дополнительного электрона к "родительскому" состоянию. Различают два типа резонансові те, которые лежат энергетически ниже состояния, от которого они произошли, и те, которые лежат выше [75].
Резонансы, лежащие энергетически ниже их родительских состояний, называют резонансами Фешбаха (резонансами I типа). Они возникают, когда потенциал взаимодействия между электроном и атомом (в возбужденном состоянии) достаточно силен, чтобы поддерживать связанное состояние. Эти резонансы обычно расположены 0.5 eV ниже родительских состояний. Когда происходит возбуждение такого резонанса, лежащее вблизи его центра, распад в родительское состояние энергетически запрещен, но может происходить распад в какое-то другое, неродительское состояние. Поскольку распад в неродительское состояние сопровождается изменением конфигурации системы, резонансы Фешбаха, обычно, долгоживущие и их ширина мала (Г 0.1 eV).
По сути дела, механизм формирования резонанса Фешбаха - тот же, что и при образовании основного состояния отрицательного иона: нейтральный остов создает вокруг себя короткодействующий статический потенциал притяжения; на него накладывается дополнительный динамический потенциал, вызываемый поляризацией атома электрическим полем электрона, движущегося на некотором расстоянии от него; движение электрона искажается под действием поляризационного потенциала - он "связывается" с остовом, при этом полная энергия системы уменьшается на величину энергии сродства к электрону. Если речь идет о каноническом резонансе Фешбаха, остов представляет собой возбужденное состояние нейтрального атома, а образуется двукратно возбужденное состояние отрицательного иона. Однако, для ионов такого типа энергия сродства родительского состояния к электрону обычно бывает меньше энергии, необходимой для возбуждения в него, так что ион оказывается нестабильным по отношению к диссоциации на невозбужденный атом, и свободный электрон - этот процесс называют автоотрывом. Для многократно возбужденного автоотрывного состояния возможно наличие нескольких каналов распада за счет конфигурационного взаимодействия с континуумами, примыкающими к различным менее возбужденным, чем родительское состояниям.
Механизм формирования резонанса Фешбаха включает захват электрона с "перебросом" части его энергии на некоторые внутренние степени свободы мишени; при распаде резонанса она будет высвобождена и пойдет на отрыв электрона. Таким образом "временный отрицательный ион" - резонанс Фешбаха - это новое сложное состояние со своей собственной динамикой, отличной от динамики системы мишень + электрон , его описание принципиально невозможно в одноканальном приближении.
Резонансы, которые лежат выше их родительских состояний, называются резонансами формы (резонансами II типа). В этом случае электрон захватывается благодаря проникновению за проницаемый барьер в эффективном одночастичном потенциале, формируемом короткодействующим притяжением (статическим и корреляционным) к нейтральному атому и центробежным отталкиванием (/(/ + 1)/2г2 ). Резонансы формы демонстрируют предпочтение к распаду в свое родительское состояние, квантовое туннелирование позволяет электрону уйти из области притяжения на бесконечность с конечной кинетической энергией, т.е. с образованием несвязанного электронного состояния в собственном непрерывном спектре резонанса. Время жизни такого резонансного состояния определяется вероятностью туннельного эффекта, характеризуемой коэффициентом прохождения через потенциальный барьер, и по сравнению с резонансами Фешбаха, довольно мало.
Отрицательный ион С". Фотоотрыв от внутренней Is оболочки Отрицательный ион Si". Фотоотрыв от внутренних 2s и 2р оболочек
Эта глава посвящена исследованию фотоотрыва от промежуточных 4d оболочек тяжелого отрицательного иона Sn . Исследование фотоотрыва от промежуточных оболочек ионов Г, Сг и, в особенности, для иона Ge , проведенные в предыдущие годы, позволяли предсказать, что в этих процессах роль многоэлектронных эффектов и, в особенности, релаксационных процессов является определяющей. Исследование фотоионизации наружных оболочек иона Sn" [84,40], обнаружило сильный резонанс в фотопереходе 5s— єр, связанный с образованием квазидискретного автоотрывного состояния "5s5p " (4Р). Подобные резонансы были впервые предсказаны для ионов C ,Si , Ge [39], а затем обнаружены экспериментально для С" и Si [18,22,86]. Расчеты для ОИ с пр3 наружной оболочкой обнаружили сильное интерференционное взаимодействие между электронами ns и пр оболочек (межоболочечное взаимодействие), которое и приводит к резонансной структуре в сечении фотоотрыва. Причем для иона С этот резонанс имеет форму типа "минимум-максимум", а для более тяжелых ОИ Ge и Sn резонанс имеет форму резкого минимума (окно прозрачности в фотопоглощении или "window resonance"). С другой стороны, важным открытием в фотоионизации атома было обнаружение мощного максимума в сечении 4d10 оболочки, который получил название гигантского резонанса. Он проявляется в сравнительно тяжелых атомах Хе, I, Cs, В a, La и других, а также в их одно- и двукратных ионах. Гигантский резонанс, качественно интерпретируемый как полюс в амплитуде ПСФО D{p), был впервые обнаружен экспериментально почти сорок лет назад [87,88]. Эти резонансы являются коллективными возбуждениями электронов многоэлектронной оболочки. Природа наблюдаемого в эксперименте гигантского резонанса за порогом ионизации 4d10 оболочки меняется от I, Хе, Cs до Ей. Как было впервые продемонстрировано в [89], наблюдаемый максимум в Ей представляет собой автоионизационное возбуждение дискретного перехода 4d —» 4f с последующим его распадом за счет ионизации 4f оболочки. Максимум в сечении поглощения фотонов Ей — гигантский автоионизационный резонанс (ГАР). В начале последовательности, для I, Хе и Cs, соответствующий максимум возникает при ионизации 4d оболочки, так что вылетающие фотоэлектроны при частотах фотонов в области порога ионизации 4d10 электронов в I, Хе и Ей существенно различаются по энергиям, что и было обнаружено на эксперименте.
ГАР проявляются в атомах с незаполненными оболочками, в спектрах фотоионизации которых резонансы связаны с переходами электронов внутренних оболочек на вакантные места в незаполненной оболочке. Обычно эти переходы имеют большую силу осциллятора, и при взаимодействии со сплошным спектром они проявляются в виде мощных максимумов в сечении фотоионизации и потому носят название гигантских автоионизационных резонансов. Для исследований ГАР метод ПСФО особенно удобен, поскольку непосредственно учитывает взаимодействие многих каналов, включая дискретные переходы [90]. ГАР были описаны и предсказаны не только в Ей, но и в его ионах, а также в Сг, Мп, Те и ряде других атомов и ионов [89,91]. Ширины гигантских автоионизационных резонансов на два порядка превышают ширины обычных автоионизационных резонансов. При переходе к более тяжелым атомам и ионам с достраивающимися 4d, 5d или 4f оболочками ширины гигантских резонансов растут из-за усиления взаимодействия между заполненными и достраивающейся оболочками.
Особенно сильные ГАР наблюдаются в атомах и ионах с полузаполненными оболочками. Для описания и учета многоэлектронных эффектов в этих объектах были разработаны так называемые спин-поляризованные варианты приближений ХФ и ПСФО - СПХФ и СП-ПСФО, соответственно [92,93].
В этой главе было проведено исследование роли статической перестройки в процессах фотоотрыва от промежуточной оболочки ОИ Sn—. Этот эффект учитываля одновременно с внутриоболочечными корреляциями в 4d оболочке ОИ Sn- Были получены сечения фотоотрыва от 4d оболочки в рамках СП-ПСФО и СП-ОПСФО, проведено сравнение полученным результатов.
Ион Sn имеет полузаполненную наружную оболочку 5s 5р , что требует для описания процессов в этом объекте спин-поляризованных версий приближений — СПХФ и СП-ПСФО. Применение теории многих тел к атомам с незамкнутыми оболочками осложняется тем фактом, что основное состояние этих объектов вырождено. Чтобы применять любой вариант теории возмущений, это вырождение должно быть снято с помощью точного учета некоторой части межэлектронного взаимодействия. Иначе те члены рядов теории возмущений, которые содержат разности между энергиями в энергетических знаменателях, других, но вырожденных состояний, станут бесконечно большими. В результате учета указанной части межэлектронного взаимодействия основное состояние перестроится, и вырождение будет снято. При этом структура теории возмущений оказывается гораздо более сложной. Однако существует одно исключение из этого общего правила, для которого подход теории многих тел может быть применен почти так же просто, как и к атомам со всеми заполненными оболочками, т.е. с невырожденным основным состоянием. Здесь мы имеем в виду атомы с полузаполненными оболочками, где, по крайней мере, одна из оболочек содержит половину возможного полного числа электронов. Известно, что для этих атомов верно так называемое правило Хунда, которое говорит, что в такой оболочке все электроны должны иметь одну и ту же проекцию спина, а полный спин максимально возможный [65]. Они могут обмениваться только с электронами такой же проекции спина из других оболочек. В результате каждая оболочка расщепляется на два уровня, называемых "вверх" и "вниз" уровнями.
