（原子与分子物理专业论文）洞原子（或离子）退激发的研究.pdf

摘要 本文介绍了洞原子的概念，研究历史与现状，研究意义。重现了已有的辐射 跃迁，单俄歇跃迁，双俄歇跃迁，振激过程，振离过程和双洞态相关退激发等洞 原子一步退激发的跃迁几率计算理论。较为详细地阐述了他人的洞原子级联退激 发过程研究理论，以及我们建立的辐射一单俄歇一双俄歇级联退激发模型 ( r a d i a t i v e - a u g e r - d o u b l ea u g e rc a s c a d em o d e l ，简称r a c d a ) 洲 我们利用r a c d a 模型研究了a r + ( 1 s 1 ) ( 1 s 洞态氩离子) 和f i r + ( 2 s 1 ) ( 2 s 洞态氩 离子) 退激发过程及末电离态离子的分布，以及f 壳层单洞态镁离子l i g ”( 1 s 1 ) 与壳层双洞态镁离子m g ”( 1 s 的退激发过程及其末电离态离子的分布。依此 模型研究了洞态氩离子和洞态镁离子的级联退激发过程，计算了它们的末电离态 离子分布与已有的r c 模型( 辐射一单俄歇级联退激发模型的倚称) 与r a c s 模型( 辐射一单饿歇一振离过程级联退激发模型的简称) 计算结果以及实验值进行 了比较，r a c 模型与r a c s 模型计算的低价离子的相对丰度比实验值偏高，高价 离子的相对丰度比实验值偏低，而r a c d a 模型计算的低价离子的相对丰度比实验 值略微偏低，高价离予的相对丰度比实验值略微偏高，r a c d a 模型的结果与实验 符合得更好。 最后，讨论了洞原子一步退激发的跃迁几率计算理论进一步完善问题，三洞 相关退激发理论，洞原子退激发过程研究理论的不足，以及对相关研究领域做了 展望 关键词：辐射俄歇一双俄歇级联退激发模型( r a c d a ) a b s tr a c t i nt h i sp a p e r ，t h ec o n c e p t i o no fh o l l o wa t o m sw a ss h o w n ，t h e r ew e r e a ne x p l a n a t i o no ft h es i g n i f i c a n c eo fs t u d yo nh o l l o wa t o m s ，a n dar e v i e w o fp a s ta n dp r e s e n tr e s e a r c ho nt h et o p i cb e i n gi n v e s t i g a t e d t h et h e o r i e s o fc a l c u l a t i n gp r o b a b i l i t i e so fr a d i a t i v et r a n s i t i o n ，s i n g l ea u g e r t r a n s i t i o n ，d o u b l ea u g e rt r a n s i t i o n ，s h a k e u p p r o c e s s e s ，s h a k e o f f p r o c e s s e s ， c o r r e l a t e d d e c a y o ft w ov a c a n c i e si n a t o m sw e r e d i s p l a y e d ( p r e s e n t e d ) t h er a d i a t i v e - a u g e r - d o u b l ea u g e rc a s c a d e m o d e l ( i c c d ) c o n s t i t u t e db yu sa n do t h e rt h e o r i e so fr e s e a r c ho nd e c a y s o fh o l l o wa t o m sw e r ei n t e r p r e t e di nd e t a i l 。 t h er a d i a t i v e - s i n g l ea u g e r d o u b l ea u g e rc a s c a d em o d e lw a sa p p l i e d t os t u d yt h ed e - e x c i t a t i o np r o c e s so fa r ( i s 1 ) h o l l o a r g o ri o n sw i t h s i n g l ek - v a c a n c ya n da r + ( 2 s ) h o l l o wa r g o ri o n sw i t hs i n g l el - v a c a n c yi o n s m g ”( i s 。1 ) h o l l o wm a g n e s i u mi o n sw i t hs i n g l ek - v a c a n c ya n dm g = + ( i s 4 ) w i t h d o u b l ek - v a c a n c y s i m u l t a n e i t y ，t h ef i n a l c h a r g e - s t a t ed i s t r i b u t i o ni n t h ep r o d u c t i o no ft h e mw e r ec a l c u l a t e d ，a n dc o m p a r i n gw i t ht h ep r e v i o u s c a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s o u rr e s u l t ss h o w e da ne x c e l l e n ta g r e e m e n t w i t ht h ee x i s t i n ge x p e r i m e n t s f i n a l l y ， aa d v i c e o n h o wt o c a l c u l a t ep r o b a b i l i t i e so f o n e 。s t e p d e 。e x c i t a t i o np r o c e s so fh o ll o wa t o m sm o r ea c c u r a t e l yw a s g i v e n ，t h eq u e s t i o na b o u ts t u d yo nc o r r e l a t e dd e c a yo ft h r e ev a c a n c i e s i na t o m sw a sp r e s e n t e d ，t h ei n s u f f i c i e n c yo ft h ep r e s e n tt h e o r i e so f r e s e a r c ho nd e c a y so fh o l l o wa t o m sw a sm e n t i o n e d k e y w o r d s ：t h er a d i a t i v e a u g e r d o u b l ea u g e rc a s c a d em o d e l ( r a c d a ) 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北师范大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名：j 地盘! 扯一 e l m ：z l 1 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 西北师大2 0 0 4 擐硕士毕业论文 第一章绪论 洞原子( 或离子) 是指内壳层失去电子丽形成的处于激发态的原子( 或离子) 。 它可以由原子核俘获内壳层电子和内变换或者由内壳层电子的光电离而产生， 也可以通过电子或离子的碰撞使原子( 或离子) 的内壳层电子激发或电离而产生 此外，近来的实验发现。高离化离子以适当速度与金属表面碰撞时通过多电子俘 获也能形成洞原子“ 由于洞原予一般都处在高激发态，它必定要向低能级退激发退激发机制有 多种，可以归为两类。一类是辐射跃迁，包括一光予跃迁( 电偶极跃迁、电四极 跃迁，磁偶极跃迁，磁四极跃迁等) 和双光子跃迁等；另一类是非辐射跃迁，包 括单俄歇跃迁，双俄歇跃迁s h a k e - u p 过程及s h a k e o f f 过程等 双洞态原子的退激发更为复杂。可分为双洞态非相关退激发和双洞态相关 退激发两类：双洞态非相关退激发是指其中一个涧退激发与另一个洞退激发之 问毫无关系，可用处理单洞态退激发的方法来处理这类问题：双洞态相关退激 发是指两洞退激发时存在关联。人们已研究的双洞态相关退激发有以下几种类型： 第一类型定义为双洞均向外漂移的相关退激发：第二类型是指位于同一子壳层 的两个洞退激发时，一个向内漂移，而另一个向外漂移：第三类型双洞态相关 退激发是指两个洞分别位于互不相邻的予壳层，退激发时它们向同一中间壳层 漂移“。例如，f 壳层双洞态相关退激发只能属于第一类型。双洞相关退激发可 能发射一个光子、两个或多个光子，也可能发射一个电子、两个或多个电子。 如果洞态由初态经一步退激发后的态还是激发的，则它还要进一步退激发， 直到稳态，即发生所谓的级联退激发过程因此，洞原子的退激发过程是非常复 杂的。 洞原子( 或离子) 广泛存在于实验室和天体等离子体中它是等离子体物理 学、天体物理学和固体表面物理学研究对象之一。对它的研究不仅能够详细地 提供原子( 或离子) 的内壳层电子的结构及其退激发过程的动力学规律，为解释实 验结果和各种等离子体过程中的离子态布居提供依据，而且为热高离化态离子的 储存的研究啪和大分予获褥电子裂解的研究“1 提供理论支持。因此，对洞原子( 或 离子) 退激发过程的研究具有极其重要的理论和实践意义 数十年来，洞态原予( 或离子) 的退激发的理论研究与实验研究工作已取得 了很大进展在实验方面，如v i e f h a u s 等人用角向确定电子一电子符合技术 ( a n g l e - r e s o l v e de l e c t r o n e l e c t r o nc o i n c i d e n c em e a s u r e m e n t s ) 研究了拍 西北师大2 0 0 4 缓硬士毕业论文 离子的劫洞态退激发过程中的厶埘哪双俄歇跃迁”：t a w a r a 等人用同步辐射技 术对肪离子的材洞态退激发过程进行了研究嘲。c a r l s o n 等人根据特征x 射线 测量了眙离子的彤壳层洞态和l 壳层洞态形成的末电离态离子的分布m ：后 来，c a r l s o n 和h u n t 用同样的方法测量了打离子的，壳层洞态退激发产生 的末电离态离子的分布和胎离子的髫。工，髟、壳层洞态退激发产生的末电 离态离子的分布等脚；c h u r c h 和k r a v i s 等人用同步辐射技术对d r 离子的f 壳层 和壳层洞态退激发过程进行了研究埘近几年，随着双激光等离子体( d l p ) 吸 收光谱技术、离子储存环技术、电子柬离子 ! ( 日i t ) 技术和阿秒激光脉冲抽运探 测技术的发展，使得人们对原子和离子的内壳层激发态的结构及其退激发过程的 研究更为广泛、深入吣“，已能直接在时域上直接观测洞原子态的寿命“”。 在理论方面，除了对单洞态原子非相关退激发进行了研究，人们还对双洞相 关退激发同时发射一个光子过程( 即两电子一一光子过程) 进行过大量的理论研究 “旧，对两洞相关退激发同时发射一个电子过程也研究过阻”“j 通过对 a m u s i a 、l e e 和b a p t i s t a 等对双洞态相关退激发的研究结果”“与k e l l y 、 p i n d z o l a 和j u r v a n s u u 等人对双洞态非相关退激发及单洞态退激发的研究结 果“”比较可以得出：双洞态相关退激发的跃迁几率是很小的。如、l i g 和 a r 的第一类型两洞态相关退激发单光子跃迁几率约为单洞态单光子辐射跃迁几 率的l 旷倍，而第一类型的双洞态相关退激发单电子跃迁几率是单洞态单俄歇 跃迁几率的1 0 1 0 。倍由此看来，双洞态相关退激发对双洞态的整个退激发 过程的贡献是非常小的。 人们不但对复杂原子或离子的内壳层激发态的电子结构和具体跃迁过程( 辐 射和非辐射过程) 韵几率、光谱及电子能谱等进行了大量的研究衄“，而且建立 了洞态的多种退激发模型，并据此研究了n o ，d r 和胎等原子( 或离子) 的不同壳 层洞态的末电离态离子的分布如o m a r 和h a h n 用辐射一俄歇级联退激发模型 ( r a d i a t i v e - a u g e rc a s c a d em o d e l ，简称r c ) 研究了洞态氩离子的退激发 过程，并计算了其退激发后的末电离态离子的分布嘲。但他们的理论结果与 c a r l s o n 和h u n t 的实验符合得不够好。随后，他们进一步考虑了s h a k e - o f f 过 程韵贡献，在辐射俄歇退级联激发模型基础上构建辐射一俄歇一振离级联退激发 模型( r a d i a t i v e - u g e rc a s c a d et r a n s i t i o n sw i t ht h es h a k e o f fe f f e c t ， 简称r a c s ) ，并对洞态氩离子的退激发过程和末电离态离子的分布情况进行 了进一步研究，虽然他们的理论计算结果与实验观测符合得较好，但是计算的低 2 西北师大2 0 0 4 袈翼士毕业论文 价稳定的末电离态离子的相对丰度比实验值还是略高，而高价稳定的末电离态离 子的相对丰度比实验值略低啪1 k o c h u r 与d u d e n k o 等人迸一步利用r 矗c s 模 型对胎离子的厶，、膨版，、 l 、腿，和腿t 洞态的退激发过程进行了研究，计 算结果与实验相比依然是低价稳定的末电离态离子的相对丰度比实验值略高、高 价稳定的末电离态离子的相对丰度比实验值略低刚。 鉴于r c 与l i c s 模型计算的低价稳定的末电离态离子的相对丰度比实验值 略高、高价稳定的末电离态离子的相对丰度比实验值略低的问题，我们将分析辐 射跃迁、单俄歇跃迁、振离过程、双洞相关退激发和双俄歇跃迁对级联退激发 过程贡献的相对大小，构建更为合理的级联退激发模型。 塑! ! 墅查兰窆坚墨堡主堡些堡苎 一一一一 参考文献： 1 】w i n t e ri i ，a u m a y rf1 9 9 9j = p h y s 历j r m 0 1 印tp h y s 3 2r 3 9 1 2 1a m u s i amy 。l e e1s1 9 9 13 p h y s b ：a t k o l ，o p t p h y s , 2 42 6 1 7 e 3 】o m r c hda ，k r a v i ssd ，8 e l l i ni l e r i ncs ，s h o r trt ，l e r o nkj o h n s o nb ma n dj o n e sk 1 9 8 7p h y s 胎n 3 62 4 8 7 【4 】u e d ak ，s h i g e m a s aes a t oy ，y a g a s h i t aa ，s a s a k ita n dh a y a i s h it1 9 8 9 珈耳 s c i , z n s t n m6 02 1 9 3 5 】v i e 彻sj ，c v e j a n o v i cs ，l a n g e rbp a l 2 0 0 4 p h y s g e v e ! 六9 20 8 3 0 0 1 1 【6 】t a w a r ai lh a y a i s h it1 9 9 2j = p h y s , 皿a t m o l , o p lp h y s 2 51 4 7 6 - 1 4 7 3 【7 】c a r l s o nt ，k r a u s em01 9 6 5p h y s g e v 如纰1 43 9 0 f 幻c a r l s o nt ，h t1 b ，k r s u s em01 9 6 6p h y s r e v 1 5 14 1 【明c h u r c hda ，k r a v i s8o ，s e l l i ni 由a l1 9 8 7p h y s , 鼢e 五3 62 4 8 7 - 2 4 9 0 一 1 0 】t s n i sja ，c h e s n e ljy ，f r e m o n tde ta l 1 9 9 9p h y s g e v l e f t 8 31 1 3 1 1 1 u e d ak ，l lk i t a j i m am ， f a n i sade ta 1 2 0 0 3p h y s g e v l e f t 9 01 5 3 0 0 5 1 2 】o g r am ，m u k o y a m 8t ，t a g u c h ime ta 1 2 0 0 3p h y s r e v l e t t 9 01 7 3 0 0 2 1 3 】1 ) r e s c h e rm ，h e n t s c h e lm ，k l e n b e r g e rre ta l2 0 0 2n a t u r e 4 1 98 0 3 1 4 a b e r gt ，j a m i s o nka ，r i c h a r dp1 9 7 6p h y s , r e v l e t l3 7 6 3 【1 5 a a u s i amy ，l e eis ，z i n o # i e van 1 9 7 7p h y s l e t t 6 0 3 0 0 1 6 】t r a b e r te ，f a w c e t tbc ，s i l v e rjd1 9 8 2zp h y s 历a t , 肪上p h y s 1 53 5 8 7 1 7 】b a p t i s t sgb 1 9 8 4zp h y s , 口? j t 磁，上p h y s 1 72 1 7 7 【1 8 】b a p t i s t sgb1 9 8 6zp h y s 历z t ，* y 0 1 p h y s 1 91 5 9 1 1 9 i v a n o vln ，s a f r o n o v aui ，s e n a s h e n k ovs ，v i k t o r o vds1 9 7 8 p h y s 历a t 勋1 p h y s 1 1l 1 7 5 【2 0 】s i m o n srl ，k e l l yhp ，b r u c hr 1 9 7 9p h y s 肪e 1 95 8 2 【2 1 1k e l l yhp1 9 7 4p h y s r e u j | 1 15 5 6 2 2 】f r i t z s c h es ，f i s c h e rcf2 0 0 0 凸嘞p h y s , 国黝1 2 43 4 0 2 3 】f r i t z s c h es ，a k s e l ah ，d o n gcz 。e ts 1 2 0 0 3n u c l n s t _ r a n d j i l e t h p h y s , r e s 昱2 0 59 3 2 4 】k a n n g i e b e rb ，j a i n zm ，d e m e k h i nvf ，e ta 1 2 0 0 0p h y s g e v , 6 20 1 4 7 0 2 2 5 d i n gxb ，d o n gcz ，f r i t z s c h es2 0 0 4a c t ap h y s s i n5 38 5 订晓彬，董晨钟， 4 要! 堕奎! 唑堡塑圭堡些丝苎 f r i t z s c h es2 0 0 4 物理学报5 38 5 2 6 s i m o n srl ，k e l l yh p1 9 8 0p h y s r e v 2 26 2 5 2 7 】o m a rg ，h a h ny1 9 9 1p h y s r e v 正4 44 8 3 【2 8 】l a g a t t u t akj h a h ny1 9 8 1p h y s 庙k 正2 42 2 7 3 2 9 o m a rg ，h a h ny1 9 9 1zp h y s 历a t o m sm o l e c u l e sa n dc l u s t e r s 2 54 1 3 0 】k o e h u ra6 ，d u d e n k oai ，s u k h o r u k o vvle t “1 9 9 4zp h y s 占ja t m 0 1 o p t p h y s 2 71 7 0 0 5 西北师大2 0 0 4 囊磺士毕业论文 第二章洞原子退激发的实验研究 利用同步辐射加速器产生的x 射线对原子的内壳层电子进行光电离是实验 室中的洞原子( 或离子) 的主要来源之一 1 9 8 7 年d a c h u r c h 和s dk r a v i s 在b r o o k h a v e n 国家实验室利用同 步辐射源的2 6 cx 光束白色辐射线，对氩原子k 壳层电子进行光电离，得到 k 壳层单洞态氩离子。这种洞态氩离子经过级联退激发过程，产生了不同离化 度的稳定氩离子，被储存在p e n n i n g 离子阱中，等待下一步测量末电离态离子分 布，即测量各价稳定离子的相对丰度。他们所用的离子储存和时间飞行技术，能 够给出冷离子气的相关信息和计算被储存离子的属性所需的数据。所铡量的近室 温条件下各价氩离子与氩原子碰撞电离几率系数，可以用来计算离子阱里各价离 子的数日 1 1 年n 0 r i os a i t o 与i s s ohs u z u k i 在电子实验室对m 洞态氰离子的末 电离态离子分布进行了测量。电子储存环的同步辐射线被g r a s s h o p p e r 单色仪 单色化，单色仪的a ，旯值在氙的3 d 区域估计为3 0 0 所用的时间飞行质谱仪， 连着1 4 0 毫米长的漂移管飞行质谱仪的中央右角装有溢气束，单色化的软x 光束从此流过。飞行质谱仪在脉冲模式下进行操作，离子被飞行时间源产生的脉 冲电场筛选。所用的过滤器为铝过滤器和铍过滤器。为了了解离子产生对光子能 量的依赖性，用测量从金质网产生的光电子的数目来校正离子计数器， 金质网位于飞行质谱仪的狭缝出口和实验室之间。产生的金光电子能给出光 子强度，校正的离子数日可以转化为径向散射截面。啪 1 9 9 9 年epk a n t e r 等人用同步辐射源的x 光束对钼原子进行光电离，得 到k 壳层双洞态钼离子和k 壳层单洞态钼离子，并推出产生单双洞态钼离子数目 的比值。“ 2 0 0 3 年j e n sv i e f h a u s 等人利用角向确定电子一电子符合技术 ( a n g l e - r e s o l v e de l e c t r o n e l e c t r o nc o i n c i d e n c em e a s u r e m e n t s ) 观测了由 光电离产生的洞态氩离子的双俄歇跃迁过程。他们的实验是在b e s s y ( b e a ml i n e u e 5 6 2p g m - 1 ) 和卧s y l a b ( b e a ml i n eb w 3 一s x 7 0 0 ) 完成的。单色化的同步辐 射线穿过流滴氩气的溢气束。作用区域产生的电子用角向确定时问飞行技术 ( a n g l e r e s o l v e dt i m e o f f l i g h tt e c h n i q u e ) 分析。他们研究了双俄歇电子 的角分布以及两个俄歇电子之间的能量分布。 4 2 0 0 2 年m d r e s c h e r 等人用阿秒激光脉冲抽运探测技术研究了洞原子一步 6 西北师大2 0 0 4 曩硬士毕业论文 退激发过程，对极短时间内的跃迁过程进行跟踪，测量了m 壳层洞态氟离子的寿 命埘2 0 0 5 年af o h l i s c h 等人也用阿秒激光脉冲抽运探测技术更详细的研究了 洞原子的弛豫动力学过程” 接下来，简要介绍激光脉冲抽运探测技术叫 激光脉冲抽运探铡技术通俗地说筑是微观领域的快速照相技术先是用红 外、可见、紫外、x 射线光瞬间爆射作为抽运脉冲来产生微观动力学过程，然后 用紧随第一次爆射的二次闪光作为探测脉冲，以极其细微精确的时间段为间隔 拍摄微观动力学过程的c q 光照很明显，这里要求抽运与探测同步。 如果一个激光脉冲是在高非线性过程中产生一个超紫外光的瞬爆，则上述 同步的要求将充分满足被强度很大的可见或近紫外激光照射的原子能够瞬爆 出这种超紫外光，瞬爆时阅为数百阿秒，通过控制可见或近紫外激光场的振荡， 就可以控制这种超紫外光的前后两次瞬爆的问隔时间，而且这种可见或近紫外 激光场也可用来记录光电予和俄歇电子的动力学过程。这里所说的光电子是由 超紫外光从原子中打出来的，而俄歇电子是被超紫外光激发后的原子在退激发 过程中产生的。由于它们产生的先后次序不同，因此，先产生的光电子也称为第 一代电子，后产生的俄歇电子则称为第二代电子。实际上光电子的动力学过程 是可模拟超紫外光的瞬爆而俄歇电子的动力学过程却可模拟激发原子的衰变。 有了这些工具，原子内壳层电子的运动就可用阿秒激光脉冲抽运探测技术来 观测。 首先让我们弄清阿秒激光脉冲是怎样产生的 如果强飞秒激光脉冲( e p 驱动激光) 的电场沿着指定的方向被极化，就可把原 子内壳层的电子从内部拉出来，从而产生非常大的原子电偶极矩经过半个波 周期之后，飞秒激光脉冲的电场方向变为相反的方向，又把拉出的电子投回到 原子内部原来的位置上，在电子返回c o r e 的近临位置的过程中，伴随着超紫外 光的瞬爆往复如此，产生了原子电偶极矩的振荡，因而超紫外光呈现周期性的 瞬爆从光谱学的角度上讲，( 也就是能量或频率的角度，时间与频率有倒数关 系，通过f o u r i e r 交换找出它们的关系) 超紫外光的瞬爆由一些光谱线组成。 当然，这些光谱线是驱动激光的高次谐振线超紫外光的瞬爆的延续时间理论 上估计为数百阿秒，近来被实验所证实。当驱动激光脉冲被确定为具体数目的 波周时，就可以观测到驱动激光周期性的变化和一些非常大的原子电偶极矩的 振荡。细致地选择波的形式和超紫外光的散射带，就可以得到单一的超紫外光脉 7 西北师大2 0 0 4 级硬士毕业论文 冲。这个脉冲的参量( 它的延续时间、能量以及随振荡激光场的变化。) 可以从 一个脉冲复制到下一个脉冲上，且已被一系列实验所证实。这种激光脉冲参量 的复制是利用已有工具在阿秒时间尺度上观测原子内部电动力学过程的先决条 件 超紫外光的瞬爆与驱动激光场的振荡的完美的同步，为在产生阿秒激光过 程中连续使用它提供势能。这是非常重要的，因为这些由超紫外光的瞬爆产生 的激光太弱以至不能拖出电子和探测原子内部的电动力学过程比如在o 6 0 0 阿秒内激光强度从最小值变为最大值的波长为7 5 0 h m 的激光( 红) 的振荡激光场 就能够担任超紫外光探测任务的角色，记录由超紫外光突然激发的原子的内部 电动力学过程 坷秒激光脉冲抽运探测技术的条纹相机原理圈 西北师大2 0 0 4 级硬士毕业论文 接下来让我们弄清怎样观测原子内部弛豫动力学过程的。 原子一旦被短脉冲，高能量的激光( 如超紫外光) 激发，就会发射出第一代电 子( 即光电子) 和第二代电子( 俄歇电子) 第一代电子散射的演变过程精确地影 射出原子是怎样被激发的：而第二代电子散射的演变过程精确地影射出原子是 怎样退激发的因而这两种电子散射过程的演变图象能够提供原子激发和退激 发的完整信息这些超快电子的散射可以被类似于用条纹摄像机记录一束闪光 的装置所记录 显象管条纹摄象机能测量一个激光脉冲的宽度和强度的时间演变结构的原 理如下：通过依赖时间的方式将一束快速运动的粒子的物理量随时间的分布转 变为随空间分布在光电阴极产生的激发原子散射出的光电子( 或俄歇电子) 束 在到达荧光屏之前，被快速变化的高压电场所偏转光电子束的突然偏转在荧 光屏上留下条纹相片，参照这些条纹相片，从亚皮秒时间尺度就可以推测出拖拉 光电子的激光脉冲时间演变结构 与上述原理相同，阿秒时间尺度的电子散射的演变特征也可以重新构建如 上所述j 阿秒脉冲超紫外( 或x 射线) 激光场中的原子将散射出电子。激光场的 电场沿着指定的方向被极化( 如阿秒激光脉冲抽运探测技术的条纹相机原理图所 示中指向电子探测仪) ，且能受控地振荡。朝向探测仪方向的散射的电子的初速 度是增大还是减小，就要看激光电场的方向是正对着探测仪还是被对着探测仪。 激光诱导的能量移动随着散射电子的沿时性而单调地改变，结果产生类似屯子 能量分布的散射演变过程图象可见光快速变化的电场在半个激光场周期内将 电子能量以差别极小的微小时间间隔分割成条纹电子能量分布可作为条纹图 象，它的宽度和形状影射了散射的演变。 利用光场驱动条纹摄象机探测光电子和俄歇电子真正做到从时间角度观测 原子的激发和衰变过程，尤其是阿秒对闯尺度的演变。光电子散射的演变对应于 激发原子的激光( 或称抽运光、驱动光) 的脉冲，换句话说，光电子的条纹图象对 应于这个脉冲宽度由上述技术产生的波长为1 3 r i m 超紫外激光脉冲近来用光 场驱动条纹摄象机测量的结果为2 5 0 阿秒，这是迄今人类获得最短的时间用 同样的方法和仪器探测俄歇电子从而揭示激发原子退激发时的内场变化 9 要! ! 壁奎! 唑壅曼圭兰些堡苎 参考文献； 【1 d c h u r c h ，s d k r a v i s ，i a s c l l i ne ta j 1 9 8 7p h y s r e v 丘 ( 2 n o r i os a i t o ，i s a ohs u z u k i1 9 9 2 p h y s 矗ja t m o o p t p h y s 2 51 7 8 5 3 】b p k a n t e r 。r - 1 ) u n f o r d ，e ta l1 9 9 9p h y s r e vl e t t8 3 【4 】j e n sy i e f h a u s ，s l o b o d a nc v e j a n o v i c b u r l d c l a r dl a n g e r ，e t 矗2 0 0 4p h y s , r e v l e t t 9 2 。 【5 】1 ) r e s c h e rmh e n t s c h e l 虬k l e n b e r g e rre ta 1 2 0 d 2n a t u r e 4 1 98 0 3 6 】九f o h l i s c h , p f e u l n e r 。f h e n n i e s ，e ta 1 2 0 0 5n a t u r e 4 3 03 7 3 7 】t b r a b e ca n df k r a n s z2 0 0 0r e v g o d 。p h y s 7 2 ：5 4 5 1 8 l c i c i e n b e r g e ra n df k r a u s z 2 0 0 4p h y s i c as c r i p t s 1 1 0 ：3 2 - 3 8 【9 】p a g o s t i n ia n dld i = a u r e 2 0 0 4r e p p r o g p h y s 。6 7 ；8 1 3 - 8 5 5 1 0 西北师大2 0 0 4 教磺士毕韭论文 第三章洞原子退激发的理论研究 洞原子退激发研究理论可以追溯到俄歇跃迁几率和俄歇电子能的研究在 之后进近九十年里，人们对洞原子的各种跃迁进行了大量的理论研究，为实验研 究提供了重要的依据本章将洞原子退激发研究理论分为两类：一类为一步退激 发理论：另一类是洞原子级联退激发过程研究理论我们将自己构建的洞原子辐 射一单俄歇一双俄歇级联退激发模型单列一章讲解 1 洞原子的一步退激发 洞原子( 或离子) ，尤其是洞所处壳层很深的原子，是处于高激发态的原子， 其退激发方式多种多样人们较为熟悉的有辐射跃迁和俄歇跃迁，另外还有双 俄歇跃迁，振激过程，振离过程和多洞相关退激发等这些跃迁过程的跃迁光 谱，电子能谱，跃迁几率和角分布等相关问题已为人们所研究限于研究的目 的，这里仅再现我们感兴趣的几种跃迁过程的跃迁几率的计算理论。即便如此， 我们也不可能对各种计算理论进行详细地论述 1 1 辐射跃迁 当原子( 或离子) 内壳层存在洞时，外壳层的电子向内层跃迁填充洞，原子体系 内场发生改变，从而有可能向外辐射光予，这种原子动力学过程叫做辐射跃迁 人们一般研究的是单光子辐射跃迁，多光子跃迁非常复杂，一般其跃迁几率远小 于单光子辐射跃迁几率，我们对此不作讨论。对于单光子辐射跃迁，在不同程度 的近似下，又分为电偶极跃迁，电四极跃迁，磁偶极跃迁等。这里我们只讨论电 偶极辐射跃迁 1 1 1 经典电偶极跃迁理论 如果一个电子具有瞬时加速度，单位时间它辐射的能量为：“1 融爹h 2 我们考虑电子在这两种简单情况下具有加速度：( a ) 类似于两个弹簧之伺纵 向振动的振子：( b ) 类似于两个弹簧之间做环绕振动的振子 假如在第一种情况下电子振动方向与z 轴平行，振幅为| r o f ，则有 r = r oc o s o x = 一埘s i n o x ；= 一2 r o c o s o j r = 一c 0 2 ， ( 2 ) 1 1 西北师大2 0 0 4 擐曩士毕业论文 ( 2 ) 式代入( 1 ) 中得： 童= 一2 e 3 c 3 2 0 f l j f 2 周期平均得 第二种情况下假设电子在x ，y 平面内转动的半径为 即 ，= x 耖= r o e 。矗 ；= 一2 ，o p “= 一埘2 ， ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 将( 6 ) 代入( 1 ) 同样得到( 4 ) 式结果 如果频率确定，振子能量与h 二成正比，( 4 ) 式近似为童* 应 如果随时闻呈指数衰变，则有 ， e = 晶e - - a ( 7 ) 磊是辐射之前的能量，a 是衰变系数。我们认为振予振荡一周辐射能量很少， 在7 时刻周期平均单位时间1 蛰射的能量为： e = 一a o e o e 4 一段时间内平均单位时间它辐射的能量为： ：章：嘞磊2 岛 。i 鼬f e d t 。 剐衰交几率为： p = 一筹= 西4 e 2 t 。4i 太巳j c 其中， h 2 是对整个辐射过程求平均。 ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) 1 1 2 量子理论电偶极跃迁 在量子力学中对于一量子态y 的平均值为：p ) = 缈i 秒) 为了求出量子态y 和量子态之间的辐射跃迁几率，必须用依赖时问的波函数 矿= e 一哪 1 2 西北挪大2 0 0 4 缀曩士毕业论文 辐射时间内( ，) 的值为；缈| r l y ) = 缈。h 矿：) e 啦坷朋 与( 5 ) 比较，角频率w = 2 m , - - i e 。一叫壳， 如果我们认为 l 缈i 震妒。) f = i 鼽l r l 以) f 2 ，矧2 是对整个辐射过程求平均，从而可得( 1 0 ) 的衰变几率： p = 赛i 帆i r i 以) 1 2 = 6 4 万+ 4 e 2 v 3 f , l , r i 以 | 2 ( 1 1 ) 用光谱线系的波数表达上式，且n 电子体系原子的位置矢量用玻尔半径r o 卅= 露旧( 0 1 1 ( 1 2 ) $ 这样就可得到从激发态厂jm 到低能级态，叫的自发跃迁几率：m j = 望车篆芷i ( 倒俐，砌) | 2 ( 1 3 ) 这里掣：兰乎：艺c ( 和是以一e 唧为单位原子的电偶极蠡。 “di - i 1 1 3 电偶极跃迁选择定则 。 当( 1 ) 式中矩阵元不为零时电偶极跃迁才能发生，因为电偶极跃迁算符的 字成称是奇的，跃迁初末态y j m 和，j m 。的宇称相反。 应用w i g n e r - e c k a r t 理论，借助3 一j 符号( 1 ) 式中矩阵元可以写成如下形式； 删咿i m ) 叫尸( 一二匕乞p i p ( 1 ) | y 肘。) ， 从3 - j 符号的性质可知，跃迁发生的条件是( j1 - ，) 满足三角关系，也就是 = ，一j = o ，l且，= j = 0 是不允许的 1 2 单俄歇跃迁 单俄歇跃迁即人们通常所说的俄歇跃迁，是指原子( 或离子) 内壳层存在 嗣态时，外壳层电子向内跃迂填充溻，只释放出一个电子e g 过程，因而跃迁的前 后原子体系相差一个电子1 9 2 3 年r o s s e l a n d 曾预言单俄歇跃迁有时会发生j 1 9 2 5 年a u g e r 首先在实验上观测到单俄歇跃迁，1 9 5 2 年b u r h o p 开始对其进行 理论研究 西北师大2 0 0 4 象爱士单韭论文 俄歇跃迁释放出的电子被称为俄歇屯子。俄歇电子的能量( 动能) 等于发生 俄歇跃迁的原子( 或离子) 体系跃迁前后的能量差。假设原子体系初态研，壳层 存在洞，某一外壳层胁厶上的一个电子向内跃迁填充洞，另一外壳层础上的一 个电子被激发而散射出去成为俄歇电子，则在独立粒子近似下( 下面会提到这个 模型) ，俄歇电子能量e = e ( 胁厶) + e ( 础) 一e ( 胁，) ，其中e ( 且以) ，e ( 矗山) 和e ( r i d ，) 分别是且山，届山和历l 壳层的能级，它们的值都是负的由于俄歇 电子能量e 非负，所以e ( 胁厶) + e ( m 厶) 一e ( n l - ，) 必须大于零，这是理论上 判断洞态原子体系能否发生俄歇跃迁的主要依据通过测定俄歇电子能谱和俄歇 电子的角分布，可以扶实验上研究俄歇跃迁过程，从两获取内壳层激发态的结构 信息。 绝大多数单俄歌跃迁几率的计算是在非相对论框架内通过求解跃迁初末态 之间的库仑相互作用来完成的m a s s e y ，b u r h o p ，a s s a d ，l i s t e n g a r t e n ，r o s n e r 等人进行过相对论框架内的计算，实际上早期在相对论框架内对高z 原子( 或离 子) 的l 壳层初洞态的单俄歇跃迁几率的计算就很难完成。 在计算单俄歇跃迁几率时，将原子体系所有电子考虑进去是非常困难的。为 此，人们引入了独立粒子近似模型( 或叫硬c o r e 模型) ，认为未参与单俄歇跃迁 过程的电子跃迁前后的轨道不发生变化。而利用多体微扰理论计算时可以将电子 关联考虑进去。 w e n t z e 于1 9 2 7 年首先给出俄歇跃迁几率的计算公式，如下嘲 ，跗( m - - n ) = 警肛纠m ) 1 2 ( 1 5 ) 其中，廖表示单俄歇跃迁初态，力表示末态，矿是电子一电子库仑作用算符，它 的具体表达式为： 砖 一 v = 讹- r 2 l = k ) e , a c o s r ) ( r ，) “】 ( 1 6 ) r 。0 r 是 和屯中较小者， r 。是和，2 中较小者，y 是1 和，2 的夹角 在进行数值计算时，通常处理洞而不是电子假如跃迁初态原子体系的 壳 层存在届 个洞，用量子数，上i ，s ，j i 来描述，另外还存在一个处于 能量为占的连续态洞，用量子数，：和j 2 来描述。当然还有一些部分占据的壳 h 堕塑大2 0 0 4 握硕士毕业论文 层，有n 个洞的厶壳层用岛，厶马来描述，有p 个洞的壳层用q ，厶， 只描述，余下的洞用k & 表示。它们通过c l e b s c h - g o r d a n 系数耦合成总 俄歇跃迁末态原子体系的壳层存在四个洞，用量子数届，弓，蜴来 描述，n + 1 个洞的，壳层用尼，只，q ，来描述，p + 1 个洞的，| 壳层用屈， 只，幺描述，余下的洞用最，q 矗表示末态的量子数是，q 这样描 述并不麻烦，因为有时候洞处于相同的壳层 、 初末态耦合后，就可以计算跃迁几率了，即对初末态求和，而后除以来态 数 p = ( 2 珥+ i x 2 j 2 + 1 x 2 8 3 + l 胤斗1 黼+ 1 ) ( 2 岛+ 1 ) ( 2 & + 1 ) 0 7 ) 跃迁几率为： 。 口：! 圣刍1 2 堡墨! 丝墨1 2 堡垒! 丛! 墨! 基三鱼! ! 堡五墅 ( 弛2 + 1 x 2 p + i ) ( 2 q + 1 ) ( 2 , + 1 ) i - 陇+ 1 ) ( 2 c 4 十1 ) 兀( 2 4 + 1 ) ( 2