Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
МНОГОЗАРЯДНЫЕ ИОНЫ

МНОГОЗАРЯДНЫЕ ИОНЫ

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.

Спектроскопич. символ иона

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 сдвигвероятность 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. Ин теркомбинационные 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 рекомбинацииM. 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 и 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.

Табл. 1.

* 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).

Рис. 3. Спектр плазмы токамака (линии Fe XXIV-XXV).

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 измерения в 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.

табл. 2.

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.

Лит.: Мандельштам С. Л., Коротковолновое излучение Солнца, в сб.: Успехи Советского Союза в исследовании космического пространства, M., 1978; Novel sources oi higly stripped ions, "Proc. of Int. Conf. Phys. of Highly Ionised Atoms", Oxf., 2-5 July 1984 (North-Holland), Amst., 1985, p. 516; Прecняков Л. П., Шевелько В. П., Янев P, К., Элементарные процессы с участием многозарядных ионов, M., 1986; Вайнштейн Л. А., Шевелько В. П., Структура и характеристики ионов в горячей плазме, M., 1986; Рентгеновская спектроскопия многозарядных ионов, M., 1988.

В. П. Шевелько.