Введение к работе
Актуальность исследований
В результате появления квантовых генераторов, способных создавать интенсивное электромагнитное поле, с середины двадцатого века возник интерес к процессам, связанным с взаимодействием такого поля с веществом. В частности, такими процессами являлись: воздействие интенсивного лазерного излучения на частицы плазмы, на молекулы, атомы и ионы, что привело к открытию многофотонной ионизации и тормозного излучения частиц плазмы в поле электромагнитной волны. В таких исследованиях было установлено, что при фотоионизации, фоторасщеплении атомов и отрицательных ионов, при упругих и неупругих столкновениях заряженных частиц друг с другом также и во внешнем однородном электрическом поле, даже слабом по сравнению с атомным, дифференциальные сечения таких процессов отличаются (от подобных сечений в отсутствии внешнего поля) появлением осцилляций, например, по энергии поглощаемых фотонов (при фотоионизации или фоторасщеплении атомов и ионов), а также от углов рассеяния и вылета первичного и вторичного электронов (при упругом и неупругом рассеянии электронов на водородоподобном атоме). В 1994 г., при изучении тормозного излучения, возникающего при столкновении частиц во внешнем электрическом поле, было показано, что осцилляции могут возникать и в сечении тормозного излучения при рассеянии заряженных частиц друг на друге в однородном электрическом поле.
В этой и последующих работах предполагалось, что изменение сечений тормозного излучения в основном связано с перераспределением средней плотности заряда электронов, вызванного отражением их от потенциального барьера внешнего квазиоднородного квазистационарного электрического поля. Вкладом же в тормозное излучение ускорения или торможения заряженных частиц внешним (достаточно слабым по сравнению с кулоновым) полем пренебрегалось.
Однако дальнейшие исследования показали, что при движении электронов во внешнем однородном стационарном электрическом поле (даже слабом по сравнению с полем рассеивающих кулоновых центров) необходимо учитывать вклад в тормозное излучение взаимодействия заряженных частиц с этим полем. Это может приводить к заметному изменению в сечениях тормозного излучения из-за суперпозиции движения частиц в поле рассеивающих центров и во внешнем квазистационарном квазиоднородном электрическом поле. Причем следует отметить, что если однородное электрическое поле индуцировано в макроскопической области пространства, то вклады в излучение взаимодействия частиц с таким полем и рассеивающими центрами оказываются сравнимыми, если число рассеивающих центров является макроскопическим. В частности, при прохождении пучка электронов через монослой упорядоченных кулоновых центров, находящихся в квазиоднородном квазистационарном электрическом поле.
В настоящее время распространенными способами получения различных наносистем и тонких пленок, с заданными или новыми свойствами, является воздействие на различные физико-химические соединения электромагнитными полями квантовых и иных генераторов и плазмой ВЧ, СВЧ, тлеющего и других разрядов. Очевидно, что в этом случае при своем образовании или видоизменении наносистемы и тонкие пленки находятся в макроскопических полях, достигающих 105 В/см, в то время как через них проходят нерелятивистские электроны с достаточно широким спектром направлений и энергии, включающий значения порядка десятка кэВ. В результате рассеяния часть электронов, излучая фотоны, будет отражаться от потенциального барьера внешнего электрического поля. Причем, как показывают оценки (для указанных напряженностей внешнего поля и энергий электронов) среднее время нахождения частиц между рассеивающей системой и точкой отражения может быть значительно меньше секунды, что позволяет считать поле с частотой порядка с-1 для таких частиц квазистационарным и квазиоднородным). Очевидно, что структура такого тормозного излучения должна представлять как фундаментальный, с точки зрения современной оптики, так и прикладной интерес.
Материал настоящей диссертационной работы посвящен изучению изменения структуры тормозного излучения при рассеянии заряженных частиц на упорядоченной структуре, находящейся в достаточно сильном (с макроскопической точки зрения) внешнем электрическом поле и в свете вышеизложенного представляется актуальным.
Цель работы
Основная цель работы заключается в исследовании пространственной структуры тормозного излучения ускоряемых, либо тормозящихся внешним однородным электрическим полем электронов, при их прохождении через упорядоченный слой рассеивающих центров, находящийся в таком поле.
Задачи исследований
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Вычисление (на основе принципов квантовой механики и квантовой электродинамики) и анализ сечений поляризованного и неполяризованного тормозного излучения электронов, ускоряемых внешним однородным стационарным электрическим полем, индуцированным в полупространстве, и проходящих через монослой упорядоченных кулоновых рассеивающих центров, находящихся в этом же поле.
-
Проведение расчета и анализ сечений поляризованного и неполяризованного тормозного излучения для случая, когда в конечном состоянии проходящие через монослой упорядоченных кулоновых рассеивающих центров электроны отражаются от потенциального барьера внешнего поля.
-
Проведение расчета и анализ сечений поляризованного и неполяризованного тормозного излучения, проходящих через монослой упорядоченных кулоновых рассеивающих центров электронов, падающих на потенциальный барьер внешнего квазистационарного и квазиоднородного электрического поля.
Методы исследований
Для решения поставленных задач использовались общепринятые методы теоретической физики и численные методы.
Научная новизна работы
1. Впервые в первом борновском и нерелятивистском (по движению заряженных частиц) приближении получены и проанализированы сечения неполяризованного тормозного излучения, проходящих через монослой рассеивающих центров, электронов, ускоряемых внешним электрическим полем, в которых учтена суперпозиция двух движений – движения электрона в однородном внешнем электрическом поле и в поле рассеивающих кулоновых центров.
2. Впервые в первом борновском приближении получены и проанализированы сечения неполяризованного тормозного излучения, проходящих через монослой рассеивающих центров, электронов, ускоряемых внешним электрическим полем в начальном состоянии и отражающихся от его потенциального барьера в конечном, что позволило одновременно учесть как суперпозицию двух движений – движения электрона в однородном внешнем электрическом поле и в поле рассеивающих кулоновых центров, так и интерференцию отраженных от потенциального барьера электронов в их конечном состоянии.
3. Впервые в первом борновском приближении по точным нерелятивистским волновым функциям заряженных частиц, описывающих их движение в однородном поле определен вклад взаимодействия электронов с внешним однородным электрическим полем в сечение поляризованного и неполяризованного тормозного излучения, при их падении на потенциальный барьер этого поля и рассеянии на упорядоченных кулоновых центрах монослоя. Кроме того, в этих расчетах учтена как суперпозиция движения электрона в однородном внешнем электрическом поле и в поле рассеивающих кулоновых центров, так и интерференция электронов в начальном и в конечном состояниях при их отражении от потенциального барьера внешнего поля.
Практическая значимость работы
-
Полученные результаты дают представление об особенностях распределения интенсивности тормозного излучения рассматриваемой задачи, заметно отличающееся от случая, когда внешнее электрическое поле отсутствует, что, несомненно, является новым знанием.
-
Сравнение полученных и проанализированных сечений тормозного излучения с результатами эксперимента может служить подтверждением принципов и методов квантовой физики.
-
Найденные сечения могут быть использованы в различных приложениях физики, например, при диагностике тонких пленок и наноструктур.
-
Использованные методики дают возможность определять сечения тормозного излучения при прохождении заряженных частиц в однородном электрическом поле через трехмерные структуры.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
-
Международная научная конференция «Оптика кристаллов и нано-структур»: материалы междунар. науч. конф., г. Хабаровск, 12 – 15 ноября 2008 г. / М-во тран-та Рос. Фед., Фед. агентство жд тран-та, ГОУ ВПО ДВГУПС. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. – 15 с.
-
Пятьдесят пятая научная конференция преподавателей ДВГГУ, Хабаровск, ДВГГУ, 3 февраля 2009 г.
-
XII краевой конкурс молодых ученых, Хабаровск, Хабаровский научный центр, 15 января 2010 г.
-
Пятьдесят шестая научная конференция преподавателей ДВГГУ, Хабаровск, ДВГГУ, 2 февраля 2010 г.
-
Девятая региональная научная конференция «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование»: материалы IX рег. науч. конф., г. Хабаровск, 14 – 16 октября 2010 г. / Правительство Хабаровского края, ТОГУ. – Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2010. – 9 с.
Публикации и вклад автора
По результатам работы в соавторстве и лично автором опубликовано 10 научных работ. Научные результаты, изложенные в главах диссертации 2, 3 и 4, получены автором лично.
Структура и объем работы
