Многозарядные ионы (высокоионизованные атомы). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Многозарядные ионы (высокоионизованные атомы) - положительно заряженные ионы с большой кратностью ионизации. M. и. участвуют в процессах, протекающих в высокотемпературной лабораторной и астрофиз. плазме.

Специфич. особенности M. и., отличные от свойств нейтральных атомов с таким же числом электронов, объясняются их сильным кулоновским полем. К таким особенностям относятся конечная величина сечений возбуждения M. и. электронами при пороговых значениях энергии (ср. с возбуждением атома и молекулы), наличие резонансных пиков на кривой зависимости эфф. сечений от энергии, восстановление правильного порядка заполнения электронных оболочек (у нейтральных многоэлектронных атомов он нарушается; см. А том), наличие линий-сателлитов в спектрах испускания (см. ниже) и т. д.

где Z - заряд ядра иона, N - число электронов в нём) определяет масштаб величин его радиац. и столк-новит. характеристик. Так, расстояние между уровнями энергии и ионизационный потенциал

, длины волн спектральных линий

потенциал электростатич. взаимодействия электронов с ядром

потенциал спин-орбитального взаимодействия

, радиус иона

, лэмбовский сдвиг

вероятность электрич. дипольного перехода

Эфф. сечения столкновит. процессов также зависят от z. Эти процессы можно характеризовать масштабным фактором z^a, причём для процессов возбуждения и ионизации электронами

для фотоионизации

перезарядки при столкновениях с нейтральными атомами a = 1, ионизации нейтральных атомов

и т. д. T. о., эфф. сечения элементарных процессов с участием M. и. сильно зависят от партнёра по столкновениям и параметра r.

С ростом z существенно возрастает влияние релятивистских и радиац. эффектов на характеристики M. и., а тип связи угловых и спиновых моментов электронов отличается от LS-связи (см. Связь векторная): происходит непрерывный переход от LS-связи к jj-связи. Если спин-орбитальное и эл--статич. взаимодействия одного порядка величины, то имеет место промежуточный тип связи.

В результате появления релятивистских эффектов меняются отбора правила ,разрешаются переходы, запрещённые для нейтральных атомов, и при определ. условиях интенсивность запрещённых линий в спектрах M. и. становится значительной. Так, в плотной плазме интеркомбинац. линия

(см. Интеркомбинационные квантовые переходы)в спектрах гелиеподобных ионов с

имеет сравнимую с резонансной линией

интенсивность. В нейтральных атомах HeI магн. дипольный переход 2³S₁ - 1¹S₀ запрещён правилами отбора, в то же время в спектрах испускания плазмы низкой плотности соответствующая линия, принадлежащая гелиеподобным M. и., отчётливо регистрируется и используется для диагностики плазмы. Спектры M. и. изоэлектронного ряда сходны со спектрами нейтральных атомов, имеющих то же число электронов, они лишь смещаются в КВ-об-ласть (длина волны

. Так, длины волн резонансных линий атомов H и Не составляют 1216 и

а соответствующие линии в спектрах водородоподобных ((Hl) и гелиеподобных ([He]) ионов железа - 1,78 и

. В спектрах M. и. появляются, кроме того, дополнит, линии, отсутствующие в спектрах нейтральных атомов; их наз. сателлитами. Одна из причин их появления - влияние процесса диэлектронной рекомбинации M. и. при их взаимодействии с электронами плазмы. Такой процесс происходит в два этапа: сначала M. и. захватывают электрон, образуя автоионизац. состояние, энергия к-рого лежит выше границы ионизации образующегося иона; при этом в ионе одноврем. возбуждается ещё один или более электронов. Автоионизац. состояние затем может распадаться по двум каналам: автоионизационному-с испусканием электрона или радиационному - с испусканием кванта и переходом в "стабильное" (лежащее ниже границы ионизации) состояние. Для M. и. характерен радиац. канал распада с испусканием фотона

В результате таких переходов в спектре M. и. появляется линия-сателлит на частоте

, соответствующей переходу в ионе, кратность к-рого на единицу меньше. Так, сателлитами резонансной линии

гелиеподобных ионов являются линии, соответствующие переходам между конфигурациями

в [Li] ионах. Ионы в дважды (или многократно) возбуждённых состояниях могут образоваться также при др. элементарных процессах.

Наиб, полно исследованы спектры [Не] ионов и их сателлиты, т. е. спектры [Li] ионов. Эти ионы достаточно просты для исчерпывающего теоретич. анализа и информативны для определения параметров лаб. и астро-физ. плазм. Обозначения, принятые для спектральных линий [Не] и [Li] ионов, приведены в табл. 1. Присутствие одного или неск. дополнит, электронов незначительно изменяет длины волн сателлитов по сравнению с осн. линией. Напр., для резонансной линии

гели-енодобного иона

а для её d и q-сателлитов, т. е. ионов

соответственно.

С ростом z возрастает интенсивность сателлитов, она пропорциональна коэф. ветвления

где A и W - вероятности радиац. и автоионизац. распадов автоионизац. состояний. Вероятность W слабо зависит от 2, в то время как А резко возрастает с ростом z (для электрич. дипольных переходов

, поэтому при больших z распад автоионизац. состояний происходит гл. обр. по радиац. каналу, т. е. с образованием линий-сателлитов. Сателлиты, как правило, имеют малую ширину (по отношению к расстоянию между ними) и при достаточном спектральном разрешении хорошо регистрируются. T. о., в спектрах излучения M. и. сосредоточено большое число спектральных линий сравнимой интенсивности: линий, принадлежащих иону данной кратности (в т. ч. запрещённых, компонент тонкой структуры), а также сателлитов, испускаемых ионами меньших кратностей. Каждый ограниченный спектральный интервал содержит богатую информацию о строении иона, а также о параметрах плазмы, в к-рой он существует.

* J и J'- квантовые числа полного момента начального и конечного состояний.

Рис. 1. Спектр вакуумной искры (7) и солнечной вспышки (г) (линии ионов Fe XXIV-XXV).

Рис. 2. Спектр лазерной плазмы (линии Ca XVIII-XIX).

Спектры M. и. наблюдаются в спектрах короны Солнца и звёзд; к лаб. источникам M. и. относятся: лазерная плазма, вакуумная искра, плазменный фокус ,плазма токамака, стелларатора, пинч-источники, магн. ловушки, ускорители и т. д. Широкое распространение получили компактные ECR-источники M. и., основанные на эффекте электронно-циклотронного резонанса. Ионами с макс, кратностью ионизации является [H] и [Не] ионы урана

полученные на ускорителе ионов в Радиационной лаборатории им. Э. Лоуренса (1985, Беркли, США); для ионов

измепеп лэмбовский сдвиг уровня

к-рый равен что

хорошо согласуется с расчётными данными (75 эВ).

Первые эксперим. исследования спектров M. и. и их сателлитов были выполнены в 1920-40-х гг., интенсивные исследования начаты в 60-70-х гг. внеатмосферным изучением короны Солнца методами рентгеновской спектроскопии. Точность измеренияв спектрах лаб. и астрофиз. источников сравнима с точностью теоретич. пасчётов. .

составляет 10^-4-10^-5 для диапазона

На рис. 1-3 приведены рентг.

спектры для разл. источников M. и. Экспериментально, как правило, измеряются разности между длинами волн линий данной и резонансной, к-рая обычно согласуется с расчётной. Появились первые эксперим. измерения (1986) абс. длин волны переходов в [H] и [Не] ионах. Эти результаты являются наиб, точными и подтверждают надёжность теоретич. расчётов. В табл. 2 приведены значения длин волн l для резонансных переходов 2¹P₁ - 1¹S₀ в [Не] ионах, полученные в вакуумной искре и теоретически рассчитанные.

Спектральные характеристики M. и. рассчитываются методом самосогласов. ноля (Хартри - Фока метод)с учётом корреляц. и релятивистских эффектов и методом теории возмущений по параметру 1/z на базисе водородоподобных радиальных волновых функций. На основе этих методов созданы комплексы универсальных автоматизиров. программ для ЭВМ, к-рые позволяют производить расчёт спектров M. и., проводить диагностику высокотемпературной плазмы, изучать происходящие в ней элементарные процессы.

MH. элементарные процессы с участием M. и. (возбуждение, ионизация, перезарядка, диэлектронная рекомбинация и т. д.) представляют интерес для лазерной физики, физики плазмы, пучково-плёночной спектроскопии, физики атомных столкновений, рентг. астрономии и астрофизики и т. д.

Литература по многозарядным ионам (высокоионизованным атомам)

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.