Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому исследованию роли многочастичных эффектов в процессе резонансного неупругого рассеяния фотона электронами свободного атома, атомного иона и линейной молекулы в области энергий порогов ионизации их оболочек.
Для достижения поставленной цели развиты соответствующие аспекты многочастичной квантовой теории и методы расчета дважды дифференциального сечения процесса рассеяния.
Актуальность темы. Интенсивное развитие техники и экспериментального метода исследований, в частности, техники получения синхротронного рентгеновского излучения [1] открывает возможность детального изучения высокоинформативной трехмерной квантовомеханической наблюдаемой процесса неупругого рассеяния фотона многоэлектронной системой -дважды дифференциального сечения рассеяния.
Однако, несмотря на наличие общей квантовомеханической теории процесса неупругого рассеяния электромагнитного излучения веществом, берущей свое начало с работ Крамерса и Гейзенберга [2] и Уоллера [3,4], до настоящего времени в мировой научно-исследовательской практике отсутствовали методы расчета и интерпретации аномально-дисперсионных областей спектров неупругого рассеяния в непосредственной близости порогов ионизации глубоких и субвалентных оболочек свободного атома с учетом многочастичных эффектов. Существующие экспериментальные работы для свободного атома (см., например, [5,6]) в своей теоретической части, также как и фундаментальные теоретические работы Оберга и Туллки (обзор [7]), выполнены без учета широкой иерархии многочастичных эффектов. Пренебрежение этими эффектами, сопровождающими и существенно определяющими процесс взаимодействия фотона с атомом [8], приводят, например, к более чем 50 % расхождениям с экспериментом [9] в областях порогов ионизации глубоких оболочек атома. Более того, наряду с проблемой учета многочастичных эффектов, некоторые другие аналитические аспекты самой квантовой теории процесса требуют проведения дополнительных исследований.
Таким образом, представляется актуальной разработка нерелятивистской квантовомеханической теории и методов расчета спектральных характеристик процесса резонансного неупругого рассеяния фотона атомом, атомным ионом и линейной молекулой в области порогов ионизации глубоких и субвалентных оболочек с учетом многочастичных эффектов.
Исследование этой проблемы составило основную цель данной работы и потребовало решения следующих основных задач:
Разработки многочастичного варианта нерелятивистской квантовой теории и методов расчета амплитуды вероятности аномально-дисперсионного резонансного неупругого рассеяния фотона;
Разработки нерелятивистского варианта многочастичной квантовой теории процесса контактного резонансного неупругого рассеяния фотона атомом вне рамок дипольного и импульсного приближений;
Установления природы и роли дополнительных эмиссионных переходов при аномально-дисперсионном резонансном неупругом рассеянии фотона в области порога ионизации глубокой оболочки атома;
Выявления роли эффектов радиальной релаксации и межоболочечных корреляций при аномально-дисперсионном резонансном неупругом рассеянии фотона в области порога ионизации субвалентной оболочки атома;
Теоретического описания эволюции спектров аномально-дисперсионного резонансного неупругого рассеяния фотона в области порога ионизации глубокой оболочки при переходе от атома к его изоэлектронной последовательности;
Выявления индивидуальной роли многочастичных, мультиплетных и релятивистских эффектов при аномально-дисперсионном резонансном неупругом рассеянии фотона в области порога ионизации глубокой оболочки тяжелого атома, атома с открытой оболочкой в основном состоянии и линейной молекулы.
Выбор объектов исследования. В качестве объектов теоретического исследования выбраны атомы инертных газов (Ne, Аг, Хе), атом с одной открытой в основном состоянии Зй?-оболочкой (Мп), ряд неоноподобных
/с-4+ д 8+ гр-12+ -г- 16+4 ~ тгг
атомных ионов (bi , Ar , 11 , г є ) и линейная молекула tit.
Выбор атомов инертных газов, обладающих сферической симметрией основного состояния, обусловлен прежде всего тем, что их исследование позволяет выделить роль многочастичных эффектов в исследуемых процессах без учета влияния, например, твердотельных эффектов. Изменение электростатического потенциала при переходе от атома к его многозарядному иону позволяет получить дополнительную информацию о влиянии многочастичных эффектов на исследуемые спектры. Исследование спектров неупругого рассеяния атома с открытой оболочкой и двухатомной молекулы позволяет проследить динамику изучаемых многочастичных эффектов при нарушении сферической симметрии многоэлектронной системы и предсказать влияние указанных эффектов на спектры рассеяния более сложных объектов - многоатомные молекулы и твердые тела.
Научная новизна. Все результаты и выводы, которые легли в основу положений, выносимых на защиту, обладают научной новизной, что нашло отражение в оригинальных публикациях автора [А1-АЗЗ]. В частности, впервые:
выяснена роль многочастичных эффектов в определении абсолютных
значений и формы дважды дифференциального сечения аномально-
дисперсионного резонансного неупругого рассеяния в области порогов
5 ионизации глубоких оболочек атома, атомного иона и линейной молекулы;
установлена аналитическая структура дважды дифференциального сечения контактного неупругого рассеяния фотона свободным атомом вне рамок дипольного и импульсного приближений;
даны теоретическое описание и физическая интерпретация многочастичного эффекта возникновения дополнительных эмиссионных переходов между промежуточными и конечными одноэлектронными состояниями рассеяния, волновые функции которых получены в разных хартри-фоковских полях;
установлен ориентационный эффект в спектрах аномально-дисперсионного резонансного неупругого рассеяния фотона линейной молекулой при изменении положения её оси относительно плоскости рассеяния.
Научная и практическая ценность. С научной точки зрения представляются ценными все основные результаты, полученные при исследовании резонансного неупругого рассеяния фотона одиночными многоэлектронными системами. При этом развитые в диссертации аспекты многочастичной квантовой теории и методы расчета могут быть обобщены, в частности, на случай твердых тел. Это определяет их ценность для дальнейшего развития квантовой теории процесса резонансного неупругого рассеяния фотона веществом в конденсированном состоянии. Исследование спектров неупругого рассеяния в области порогов ионизации глубоких и субвалентных оболочек могут дать уникальную информацию о строении и свойствах рассеивающих объектов, в частности, о многочастичных эффектах и их квантовой интерференции. Таким образом, исследование процесса резонансного неупругого рассеяния фотона веществом становится самостоятельным теоретическим и экспериментальным инструментом изучения многоэлектронной природы рассеивающих объектов.
Результаты расчета абсолютных значений и форм дважды дифференциальных сечений резонансного неупругого рассеяния фотона свободными атомом, многозарядным положительным атомным ионом и ориентированной в пространстве линейной молекулой могут быть использованы, в частности, в контексте проблем создания, наряду с рентгеновским лазером на свободных электронах, рентгеновского лазера на лабораторной плазме как активной среде [10,11], получения спектральных данных для астрофизики [12,13], изучения биологически важных элементов [14], осуществления лазерного термоядерного синтеза, физики плазмы, поверхности, ионизирующих излучений и разработки новых экспериментальных методов анализа, синтеза и контроля ориентированных в пространстве многоэлектронных систем.
-
Нерелятивистский вариант квантовой теории процесса неупругого рассеяния фотона атомом, атомным ионом и линейной молекулой с учетом многочастичных эффектов.
-
Аналитическая структура квадратичной по оператору электромагнитного поля части сечения неупругого рассеяния фотона атомом вне рамок дипольного и импульсного приближений. В амплитуде вероятности процесса учитываются бесконечный набор симметрии конечных состояний рассеяния и изменения самосогласованного поля атомного остатка при появлении остовных вакансий. При этом радиальные части волновых функций состояний сплошного спектра строятся как решения уравнений Хартри-Фока.
-
Для атомов благородных газов переходы сплошного спектра промежуточных состояний в дискретный спектр конечных состояний неупругого рассеяния практически в два раза увеличивают вероятность эмиссии в окрестностях резонансов сечения рассеяния, рассчитанную без их учета. Переходы сплошного спектра конечных состояний в бесконечную ридберговскую серию промежуточных состояний неупругого рассеяния на 10-15% уменьшают вероятность эмиссии в области энергий порога ионизации глубокой оболочки, рассчитанную без их учета.
-
Вероятность неупругого рассеяния фотона в области энергий порога ионизации ns-субвалентной оболочки атомов благородных газов, полученная в одноэлектронном приближении, практически в два раза уменьшается после учета межоболочечных корреляций, как электростатического смешивания nssp и пр sW конфигураций.
-
Учет эффектов радиальной релаксации, спин-орбитального и мультиплетного расщепления и конфигурационного смешивания при описании промежуточных состояний рассеяния фотона атомом с открытой оболочкой в основном состоянии на ~ 25 - 30 % уменьшает абсолютные величины интенсивностей сечения рассеяния в области порога ионизации глубокой оболочки, рассчитанных в одноэлектронном приближении.
-
Переход от атома к его изоэлектронной последовательности сопровождается перестройкой геометрии поверхности сечения неупругого рассеяния фотона в области энергий порога ионизации глубокой оболочки. В частности:
энергетические области резонансов рассеяния расширяются;
интенсивности резонансов возрастают;
- уменьшается относительный вклад сплошного спектра в полное сечение
рассеяния.
Научная значимость. Как представляется автору, совокупность результатов проведенных в работе теоретических исследований, можно квалифицировать как решение крупной научной задачи - создание нерелятивистского
7 многочастичного варианта квантовой теории и методов расчета спектров резонансного неупругого рассеяния фотона атомом, атомным ионом и линейной молекулой.
Личный вклад автора в диссертационную работу. Автором выполнены постановка всех задач исследований и выбор путей их решения, построение математических моделей и соответствующих вычислительных алгоритмов. Все расчеты, представленные в диссертации выполнены лично автором или при непосредственном его участии.
Постановка задач, пути их решения, анализ результатов диссертации, приведших к положениям, выносимых на защиту, на всех этапах обсуждались с научным консультантом профессором А.Н. Хоперским.
Для численной реализации аналитических методов расчета, разработанных в диссертации, лично автором создан весь комплекс программ для персональных ЭВМ. Кроме того, автором использованы некоторые программы, ранее разработанные сотрудниками кафедр "Физика" и "Высшая математика-1" РГУПС профессорами В.А. Явной и В.Л. Сухоруковым, а также программа General Atomic and Molecular Electronic Structure System, доступная на WWW сервере .msu.su./gran/gamess/ index.html.
На отдельных этапах работы при получении частных результатов принимали участие соавторы работ [А1-АЗЗ].
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и опубликованы в материалах следующих конференций:
-
8-я Международная конференция по тонкой структуре рентгеновского поглощения: Берлин, Германия, август-сентябрь 1994.
-
17-я Международная конференция по рентгеновскому излучению и внутриоболочечным процессам: Гамбург, Германия, сентябрь 1996.
-
20-я Международная конференция по физической электронике и атомным столкновениям: Вена, Австрия, июль 1997.
-
6-я Европейская конференция по атомной и молекулярной физике: Сиена, Италия, июль 1998.
-
21-я Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям: Сендай, Япония, июль 1999.
-
31-я Международная конференция по атомной спектроскопии: Марсель, Франция, июль 1999.
-
18-я Международная конференция по рентгеновскому излучению и внутриоболочечным процессам: Чикаго, США, август 1999.
-
19-я Международная конференция по рентгеновскому излучению и внутриоболочечным процессам: Рим, Италия, июль 2002.
-
12-я Международная конференция по тонкой структуре рентгеновского поглощения: Мальме, Швеция, июнь 2003.
-
8-я Европейская конференция по атомной и молекулярной физике: Ренн, Франция, июль 2004.
-
20-я Международная конференция по рентгеновскому излучению и внутриоболочечным процессам: Мельбурн, Австралия, июль 2005.
-
24-я Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям: Росарио, Аргентина, июль 2005.
-
10-я Международная конференция по электронной спектроскопии и структуре: Парана, Бразилия, август-сентябрь 2006.
-
25-я Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям: Фрейбург, Германия, июль 2007.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Похожие диссертации на Многочастичные эффекты при резонансном неупругом рассеянии фотона атомом и молекулой
