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 фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.