На правах рукописи

НАДОЛИНСКИЙ Алексей Михайлович МНОГОЧАСТИЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РЕЗОНАНСНОМ НЕУПРУГОМ РАССЕЯНИИ ФОТОНА АТОМОМ И МОЛЕКУЛОЙ 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физикоЦматематических наук

Саратов - 2009

Работа выполнена на кафедре Физика Ростовского государственного университета путей сообщения

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор ХОПЕРСКИЙ Алексей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник ДЕРБОВ Владимир Леонардович доктор физико-математических наук, профессор ВЕДРИНСКИЙ Ростислав Викторович доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ЯРЖЕМСКИЙ Виктор Георгиевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится 29 октября 2009 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.243.01 при Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, корп. 3, ауд. 34.

С диссертацией можно ознакомится в Научной библиотеке Саратовского государственного университета.

Автореферат разослан л_ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Аникин В.М.

3 ВВЕДЕНИЕ И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

Х Разработки многочастичного варианта нерелятивистской квантовой теории и методов расчета амплитуды вероятности аномально - дисперсионного резонансного неупругого рассеяния фотона;

Х Разработки нерелятивистского варианта многочастичной квантовой теории процесса контактного резонансного неупругого рассеяния фотона атомом вне рамок дипольного и импульсного приближений;

Х Установления природы и роли дополнительных эмиссионных переходов при аномальноЦдисперсионном резонансном неупругом рассеянии фотона в области порога ионизации глубокой оболочки атома;

Х Выявления роли эффектов радиальной релаксации и межоболочечных корреляций при аномальноЦдисперсионном резонансном неупругом рассеянии фотона в области порога ионизации субвалентной оболочки атома;

Х Теоретического описания эволюции спектров аномально - дисперсионного резонансного неупругого рассеяния фотона в области порога ионизации глубокой оболочки при переходе от атома к его изоэлектронной последовательности;

Х Выявления индивидуальной роли многочастичных, мультиплетных и релятивистских эффектов при аномальноЦдисперсионном 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, Ar, Xe), атом с одной открытой в основном состоянии 3dЦоболочкой (Mn), ряд неоноподобных атомных ионов (Si4+, Ar8+, Ti12+, Fe16+) и линейная молекула HF.

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 [А1ЦА33]. В частности, впервые:

Х выяснена роль многочастичных эффектов в определении абсолютных значений и формы дважды дифференциального сечения аномально - дисперсионного резонансного неупругого рассеяния в области порогов ионизации глубоких оболочек атома, атомного иона и линейной молекулы;

Х установлена аналитическая структура дважды дифференциального сечения контактного неупругого рассеяния фотона свободным атомом вне рамок дипольного и импульсного приближений;

Х 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 хартриЦфоковских полях;

Х 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.

НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Нерелятивистский вариант квантовой теории процесса неупругого рассеяния фотона атомом, атомным ионом и линейной молекулой с учетом многочастичных эффектов.

2. 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 симметрий 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.

3. 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.

4. Вероятность неупругого рассеяния фотона в области энергий порога ионизации nsЦсубвалентной оболочки атомов благородных газов, полученная в одноэлектронном приближении, практически в два раза уменьшается после учета межоболочечных корреляций, как электростатического смешивания nsp и np5Тd конфигураций.

5. Учет эффектов радиальной релаксации, спинЦорбитального 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.

6. 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 многочастичного варианта квантовой теории и методов расчета спектров резонансного неупругого рассеяния фотона атомом, атомным ионом и линейной молекулой.

ичный 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 УФизикаФ и УВысшая математикаЦIФ РГУПС профессорами В.А. Явной и В.Л. Сухоруковым, а также программа General Atomic and Molecular Electronic Structure System, доступная на WWW сервере index.html.

На отдельных этапах работы при получении частных результатов принимали участие соавторы работ [A1ЦA33].

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и опубликованы в материалах следующих конференций:

1. 8-я Международная конференция по тонкой структуре рентгеновского поглощения: Берлин, Германия, августЦсентябрь 1994.

2. 17-я Международная конференция по рентгеновскому излучению и внутриоболочечным процессам: Гамбург, Германия, сентябрь 1996.

3. 20-я Международная конференция по физической электронике и атомным столкновениям: Вена, Австрия, июль 1997.

4. 6-я Европейская конференция по атомной и молекулярной физике:

Сиена, Италия, июль 1998.

5. 21-я Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям: Сендай, Япония, июль 1999.

6. 31-я Международная конференция по атомной спектроскопии: Марсель, Франция, июль 1999.

7. 18-я Международная конференция по рентгеновскому излучению и внутриоболочечным процессам: Чикаго, США, август 1999.

8. 19-я Международная конференция по рентгеновскому излучению и внутриоболочечным процессам: Рим, Италия, июль 2002.

9. 12-я Международная конференция по тонкой структуре рентгеновского поглощения: Мальмё, Швеция, июнь 2003.

10. 8-я Европейская конференция по атомной и молекулярной физике: Ренн, Франция, июль 2004.

11. 20-я Международная конференция по рентгеновскому излучению и внутриоболочечным процессам: Мельбурн, Австралия, июль 2005.

12. 24-я Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям: Росарио, Аргентина, июль 2005.