（原子与分子物理专业论文）锰原子及其离子光电离过程理论研究.pdf

v 1 s 3 0 l s s 锰原子及其离予光电离过程理论研究 原子分子物理专业 研究生芦_ 峨飞指导教师杨向东教授 骧予鞫离子巍电蔫程天体耪耀秘等离子藩秘瑗等诲多物理过程串都暴 宥重要的意义。本文使用多体微扰理论对镟原予及其离子光电离过程中光电 蔫截蟊藕装振结构进 亍了垒面的溪论研究和计算。首先针对锰原予或离子不 同壳层的光电离结构进行特定的理论分掇，然后通过合理蛇选择势毙及共振 结构的计算方法，并考虑商阶关联，得到了一系判断的更为精确的光电离裢 巅及共振结构。 在研究锰原予4 s 壳层的共振结构对，我们首次在耦合方程方法中加入了 3 d 5 ( 4 x ) 4 s ( 氇) 遴遂与大共振之圈豹提互终援，发蠛这类遴遒对手碡s 壳蘑黪 共振结构县有较太的贡献，从而改瞢了在耦台方程方法中只考虑基态 3 ( 咚) 4 s ( 7 0 固戆靛整，笼耱磺诗舞莫毽j 篷渡会鬓蒹子穸 舞震懿笑缀结构徽 了很好的铺垫。我们的计辣结果与实验吻含的很好。 锌薅g a r v i n 诗簿静镶潆子量德餐共振络褐逶予发教， 冀至于纺理上不荔 接受的问题，我们有效的分析了多体微扰瑰论中的二阶基态关联豳式、r p a 圈忒戳及a u g e r 图式，建藏了籀建鹃算法秘程序，并明确嗣魏给出了运些高瞬 图式的物理意义。我们在耦台方程方法中依次加入了这些黼阶图式，得到了 较为理想的锰原予3 p 寸n a ( n 4 ) 鞲德堡系列共振结构。理论研究表明：裔 阶圈式可以有效地抑制由于只考虑一阶米态关联蔼弓l 起的发数。 通过对一价镟离子光电离总截面的理论研究和计算建立了一溪处理多 个薅壳层体系鲍有效方法。针对锾瘫予寒态逶遵竣多静特蠡，诗算体系戆渡 。j u 函数时巧妙的选取有效单粒子势能对末态通道进行处理。对于体系的共振结 构，由于考虑了自旋一轨道相互作用，共振跃迁的数目更是巨大，我们合理 的利用了通用共振方法，选取了对于总截面贡献最大的通道，首次给出了锰 离子的多体微扰理论计算。3 芦一+ 4 s 共振位置在3 p 一3 d 大共振的左侧，这 点我们的结果与d o l m a t o v 的r p a e 计算以及c o o p e r 的实验相一致，但是理 论计算共振的强度随能量的增加呈减小的趋势，与实验恰恰相反。这个计算 结果进一步证实了c o o p e r 等人在实验时锰离子纯度不够高的结论。我们的 理论在4 8 4 9 e v 给出了5 个卫线结构，同时也给出了丰富的3 p 斗5 s 、 3 芦寸耐等里德堡态共振结构。我们的理论计算与实验值吻合的比较理想。 关键词：多体微扰理论光电离截面 共振结构 t h e o r e t i c a ls t u d i e so np h o t o i o n i z a t i o no f m n ia n dm n i i a t o m i ca n dm o l e c u l a r p h y s i c s d o c t o r ：l up e n g f e i a d v i s o r ：p r o l y a n gx i a n g d o n g i n t e r a c t i o no fp h o t o nw i t ha t o m sa n di o n sl saf u n d a m e n t a l p r o c e s s i m p o r t a n ti ns u c h3 t e a sa sa s t m p h y s i c s ，p l a s m a sp h y s i c sa n dl a s e rp h y s i c sa n d m o r e t 1 1 i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so np h o t o i o n i z a i t o no fm ma n dm n l i i n c l u d i n g r e s o n a n c es t r u c t u r ei nt h ef r a m e w o r ko fm a n y - b o d yp e r t u r b a t i o n t h e o r y ( m b p t ) m o r e a c c u r a t er e s u l t sw e r eo b t a i n e db yu s i n gt h en e w a p p r o a c h t oc a l c u l a t er e s o n a n c es t r u c t u r ea n d p h o t o i o n i z a t i o n c r o s ss e c t i o n t h ec o u p l e de q u a t i o nm e t h o d ( c e m ) h a sb e e ni m p r o v e dt oc a l c u l a t e4 s s u b s h e l lo fm n ib ya d d i n g3 d5 ( 4 x ) 4 s ( 5 x ) c h a n n e l s ，w h i c hw e r ev e r i f i e dt o p l a yak e yr o l et o t h em a g n i t u d eo fr e s o n a n c es t r u c t u r ed u et ot h ei n t e r a c t i o n b e t w e e n 4 s - 妇t r a n s i t i o n a n d 3 p 哼3 d e x c i m t i o n o u rc a l c u l a t i o ns h o w s h i g h e rs y m m e t r y a n das o l op e a ki l e a l 51 7 e v , w h i c hi si nb e t t e ra g r e e m e n tw i t h e x p e r i m e n t a ld a t at h a ng a r v i n sc a l c u l a t i o n e x c e p t3 p 斗3 dg i a n t r e s o h a j i c c ，t h e r e a r eo b v i o u s 3 p - - n d ( n 4 ) r y d b e r gr e s o n a n c e s w i t l lw i d t hi nt h et o t a lc r o s ss e c t i o no fm r d g a r v i n s c a l c u l a t i o nw a st o o s h a r pt o b ea c c e p t e dp h y s i e a l l y t os o l v et h i sp r o b l e m ， h i g h e ro r d e rd i a g r a m sw e r ei n c l u d e da f t e rd e t a i l e dm a t h e m a t i cp r e p a r a t i o na n d p h y s i c a li n t e r p r e t a t i o n i no r d e rt os e e 吐1 e i re f f e c ta n d t oa v o i dt h e b l a c kb o x ” w o r k i n gs t y l e o fc e m ，t h e s ed i a g r a m sw e r ea d d e dt oc e mo n eb y o n e c o m p a r i s o ni s m a d ew i t he x p e r i m e n ta n dt h er e s u l t ss h o wt h a th i # e ro r d e r d i a g r a m sd e c r e a s e t h ed i v e r g e dr e s o n a n c es t r u c t u r ee f f e c t i v e l y i t ss oh a r dt os t u d yt h ep h o t o i o n i z a t i o no fm n l it h a t i th a st w oo p e n s u b s h e l l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee f f e c t i v es i n g l e - p a r t i c l ep o t e n t i a lw a sc h o s e nt o d e s c r i p tt o t a le f f e c to fm a n yf i n a l s t a t ei n t e r a c t i o n s c o m p a r e dw i t hc e m ，t h e g e n e r a l i z e dr e s o n a n c em e t h o dw a su s e dt oc a l c u l a t er e s o n a n c es t r u c t u r ef o ri t c a l la c c o u n tf o rm a n yr e s o n a n c et r a n s i t i o n se t f i c i e n t l y u pt on o w , t h i si st h ef i r s t t h e o r e t i c a l s t u d yb yu s i n gm b p t t h ec a l c u l a t i o nr e p r o d u c e d3 p 呻3 d a n d 3 p 呻4 s r e s o n a n c ew e l l f u r t h e r m o r e ，f i v es a t e l l i t el i n e sw e r ef o u n dr a t h e rt h a n d o l m a t o v sr p a ec a l c u l a t i o n ， 3 p 5 s a n d 3 p n d ( n 24 1 r y d b e r g r e s o n a n c ew e r ea l s of o a n da st h ef i r s tt i m e k e y w o r d s ：m a n y - b o d yp e r t u r b a t i o nt h e o r yp h o t o i o n i z a t i o n c r o s ss e c t i o n r e s o n a n c es t r u c t u r e 叫川太学博i j 学位论文 第一章引言 7 f 研究背景 第一过渡族会属原子和离子的内壳层光谱无论对理论还是实验研究都 非常困难。首先3 d 金属高温气体或原子束的制备都极其不易，此外由于3 d 轨道不满它与原子( 离子) 实轨道的耦合以及与连续态轨道之间强烈的相互 作用也会使得吸收光谱非常复杂。如何准确地从这些光谱中分析复杂的电子 关联作用对于多体理论也提出了极大的挑战。 在宇宙中，列金属的含量又极其丰富，因此如何准确地掌握3 d 金属原 子的能级结构、原子和离子的各种辐射相互作用对于天体物理和等离子体物 理f 卜2 】的研究也是极其重要的。由于3 d 电子具有一些重要的特性，3 d 金属、 合会和金属化合物在冶金学、磁学、固体激光【习以及红外与微波吸收材料1 4 的研究中都具有重要的意义，此外，固体中过渡金属多表现为离子形态，精 确并彻底地了解各种离子光电离的基本性质也有助于固体物理中许多现象 的解释。 1 2 原子光电离的研究历史 当一个具有频率为u 的电磁场( 光场) 入射到靶原子上，如果光子豹能量 大子原子中某个束缚电子的电离能则此束缚电子在吸【| ：；= 光子后被激发到较 高的能缴，或者被已离出原子丽成为自由电子，这就是原子的光电离过程。 光子与原子相互作用有多种形式，在紫外光区，由于光子的能量较高，与原 子相互作用时，会导致其电离或离解，进而产生具有不同吸收特性的自由原 子、自由电子和正离子等。光子与原子相互作用的主要过程有f 5 j ：单光电离 s p ir s i n g l ep h o t o i o n i z a t i o n ) 激发光电离p i e ( p h o t o i o a i z a t i o n w i t h e x c i t a t i o n ) ，光双电离d p i ( d o u b l ep h 3 t o i o n i z a t i o n ) ，多光电离m p i ( m , f l t i p l e p h o t o i o n i z a t i o n ) 和光电吸附( p h o t o d 。t a c h m e m ) 等等a 光与原子相互作用一直是原子分子物理学中最重要的研究领域之一，光 电离过程则是这一领域最活跃的研究方向。由于原子内部电子间的关联作 用，一个电子状态的变化将会影响其它电子的状态，因而使得原子的光电离 过程变得十分复杂，理论和实验物理学家们也对其产生了极大的兴趣。原子 删川太学博j ：学位论文 光电离与激发可咀帮助我们更好的理解原子中电子的关联与极化，对于探测 原子分子的里德堡态和自电离态，新型激光器、x 一射线激光的研制以及天体 物理中不透明度的计算都有着重要贡献；此外光电离的实验和理论数据，在 二维质谱、剖析生物大分子的结构以及激光分离同位素等方面都有重要的应 用1 6 】。在理论和实验中，光电离过程的研究主要集中在原子闭值附近的散射 截面、共振结构、角分布和光电子自旋极化的测定和计算。 光与原子相互作用的实验研究，最初主要有光电子光谱方法p 州、二元光 谱1 9 】、荧光光谱技术 1o - 1 t 】等。后来逐渐发展到更为完善的实验手段，如激光 光谱法f 胫1 和同步辐射法p 3 - 1 4 1 等。其中同步辐射法己逐渐成为研究原子光电 离的主流 ”l 。同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中作变速运动时 放出的电磁辐射。迄今为止，同步辐射的光源已经发展到第三代【j 埘( 低发射 度储存环) ，同步辐射加上单色仪可以得到从红外射线到x 射线各个波段范 围内的可调谐辐射，并具有很高的谱线强度。其真空紫外射线和x 射线波 段很适合于研究原子的内壳层光电离过程。 、气，、广 l - 训自，” o a o p b o l o l o 自i z a d o n p m a 圈1 1 光电离过程示意固一1 同步辐射实验中产生的离子态，可以用分波截面 a m a lc r o s s - s c c t i o n ) 进 行标记。光电离的分波截面用不同的主量子数n 和角量子数f 区分。单电子 2 四川大学博士学位论文 过程的分波截面通常称为主跃迁( m a i n t r a n s i t i o n s ) ，其单电离截面用盯+ 表示。 而对于多电子过程，也称为卫线跃迁( s a t e l l i t et r a n s i t i o n s ) ，包括了双激发盯”， 电离激发仃+ 和直接双电离盯”等等。总的吸收截面由这些不同过程的分波 截面求和得出。具体表达式如下： 吼2 乞ii t + + 盯+ + 盯“+ i ( 1 1 1 ) n n “ 原子光电离理论的研究，根据它们对电子关联处理方式的不同，电逐渐 的产生了两大阵营。r 矩阵理论 1 s 撙l ( r m a t r i xt h e o r y ) ；和多通道量子亏损理论 2 0 - 2 2 m q d t ( m u l t i c h a n n e lq u a n t u m d e f e c tt h e o r y ) 属于分离空自j 关联理论；多体 微扰理论【2 3 2 5 】m b p t ( m a n y - b o d yp e r t u r b a t i o nt h e o r y ) 和狐口7 ( r a n d o m p h a s ea p p r o x i m a t i o n ) 刚属于全空间关联理论。此外研究光电离散射过程的理 论还有s t i e l t j e s - c h e b y c h e f f 方法口8 ，跃迁矩阵元方法【2 9 l ( u a n s i f i o nm a t r i x m e t h o d ) ，多组态h a r t r e e - f o c k 方法【3 0 m c h f ( m l l l d c o n f i g u r a t i o nh a r t r e e - f o c k m e t h o d ) ，偶极子计算方法口1 - 3 2 1 和含时局域密度近似t d l d a ( t i m e d e p e n d e n tl o c a ld e n s i t ya p p r o x i m a t i o n ) t 里( 3 3 “】等等。 1 2 1r 一矩阵方法 r 矩阵方法最初是由w i g n e r 和e i s e n b u d ( 3 5 铡在处理原子核反应时提出 的。b u r k e 等人首次把这种方法应用到原子散射研究中。经过不断发展 3 s - 4 a ， r - 矩阵理论在研究光电离 a l - 4 2 1 、双电子复合1 43 1 、负离子的光离解【4 “5 1 等研 究领域具有广泛的应用。r 囊i 阵方法的基本思想是：把描述散射电子和靶原 子或离子的组态空间用半径为口的球分为两个区域。在r a 的外区，散射电子与电子的交换效应可以忽略，散射电子只 在靶的长程多极势的作用下运动，因此这个区域的解可以使用渐近展开或密 耦方程求得。 1 2 2r p a 方法 r p a 方法最初是被引入核物理中来解决重元素中的电子关联问题。1 9 6 4 年，a t i c k 和g l a s 蹭0 2 d f 删首次将r p a 方法应用到原子光电离截面和振子强 3 堕! ! 奎兰堡圭兰些堡苎 度的计算中。计算的结果充分显示了屯子关联的重要性，但是忽略了通道问 相互作用，并且只使用了个h a r t r e e 的基组理论值跟实验值还有较大的 差距。此后a m u s i a 附5 舯、w e n d i n 珏6 0 和l i n 弦叫等人陆续对原子的光电离 截面进行了大量的计算。 r p a 处理光电离过程的长处在于：1 将一些相关图式的求和，相比多体 微扰理论中将各个图式分开处理计算上相对要容易。2 电偶极矩阵元的长 度形式和速度形式严格一致。3 同时处理初态和末态关联，并专注于电偶极 矩阵元的计算。 相对论的r p a 理论( r r p a ) 在7 0 年代末由j o h n s o n i 删等也发展起来。在 此基础上，黄克宁 6 7 】等人又进一步发展了多组态相对论的r p a 理论 ( m c r r p a ) 。 1 3 多体微扰理论及其在原子光电离研究中的应用 1 ，3 1 多体微扰理论发展史 微扰方法的重要性最初是在研究电子关联的过程中被发现的。早期的微 扰理论对于电子关联的处理基本上基于两种方法：r a y l e i g h s c h r s d i n g e r ( r s ) 方法和b r i l l o w - w i g n e r ( b w ) 方法，这两种方法处理三阶以上的微扰时非常困 难。此后h u g e n h o l 钯 醴】将场论的一些方法i 明7 1 】对上述微扰理论进行了改进， 并将其应用到多体体系中。h u g e n h o l t z 的工作也成为含时格林函数方法的起 点( t i m e d e p e n d e n tg r e e n s - f u n c t i o nt e c h n i q u e ) ，这种方法如今被广泛地肛用在 诸如电子气或核物质的多体体系中。微扰理论在粒子散射理论上的应用也被 推广到核物理上，从而可以处理原子核间强烈的排斥问题。每一种微扰理论 方法的核心在于选择合适的零阶哈密顿量砩和恰当地选取势能p 。对于r s 微扰理论，h a r t r e e f o c k ( h f ) 近似一直是很好的选择。因为在亡矿近似下，每 个微扰修正项均可解释为电子关联。此后，人们进步提出了矩阵型的r s 微扰理论，即e p s t e i n - n e s b e t ( e n ) 型微扰理论【让】，其中微扰算符表示一个给 定的电子哈密顿量的矩阵元。无微扰算符是对角矩阵元，它由微扰算符 矩阵元的对角部分组合而成。然而，r s 微扰理论也有一些缺陷，比如对 电子体系的高阶能量修正包含了错误的关联项等等。到1 9 世纪5 0 年代， b r u e c k n e 一3 1 发现，这些不相连项( u n l i n k e d c l u s t e rt e r m s ) 可1 7 ) , 与微扰能量一阶 四大学 雌一【擘位诧立 求和中的些项相抵消，因此只需要对相连项( 1 i n k e dc l u s t e rt e r m s ) 进行处理， r s 微扰理论的计算也大大地得到简化，以此为起点，r s 微扰理论也演变为 真正意义上的多体微扰理论。随之，g o l d s t o n e i “渭图式法对b r u e c k n e r 的重 要发现给出了证明。g o l d s t o n e 的工作标志着图式多体微扰理论的起点，这 个理论驴被称为b r u e c k n e r - g o l d s t o n e 多体微扰理论( b r u e c k n e r - g o l d s t o n e m a n y b o d yp e r t u r b a t i o l lt h e o r y , b g m b p t ) 。b g 理论的优点在于：1 运用特定 的规则，就可以根据图式写出相应的数学表达式。2 图式法的应用使得物理 意义更直观，数学公式的处理也更简便。陆续有工作【75 】关注图式的多体微 扰理论。但最初b g 多体微扰理论主要解决含无限多的全同费米子体系， k e l l y u 6 - 7 7 7 仔缅分析了这种微扰理论，并最早将它应用封包含有壤费米子的 肌原子体系中，此后k e l l y 将其进步推广到丌壳层原子的计算，自此奠 定了多体微扰理论在计算原子体系领域的地位。k e l l y 在多体微扰理论中使 用了单粒子基组，随后，i s h i h a r a 等1 7 s - 7 9 1 考虑到某些重要的高阶图式与单粒 子基组之侧存在着不适将多重基组引入到b g 理论中进而提高计算的精 度和扩大理论的应用范围。 随着多体微扰理论( 旧p n 在计算原子体系中的成功，在其它领域的发 展也没有停滞。微扰理论的个最重要的特点是分割方法f 3 0 ( p a r t i t i o n i n g t e c h n i q u e ) 。在这个方法中，波函数的函数空间被分为两部分，原型空间和 正交空间，问题的核心在于寻找有效算符，它们只作用于有限的原型空闻， 但可以锝到与原始算符作用在全函数空间一致的结果，基于r a e a h 引】的思 路，j u d d l 鸵l 和s a n d a r s a 3 1 等提出了适于处理原子体系的有效算符。 在早期多体微扰理论中，h o 中势能的选择均取士矿势能。此后考虑到处 理开壳层原子和多个价电子的体系的困难，b l o c h 和h o r o w i 乜l 州又提出了多 参数的多体微扰理论( m u l t i r e f e r e n c em b p t ) 。s m a 4 m - s s 1 提出了应用于开壳层 体系的图式法r s 微扰理论。l i n d g r e n 拍l 给出了全矢量空间波算符和有效哈 密顿量的相连图展式等等。但是，上述的多参数计算还是以胛近似作为出 发点，为了处理开壳层的具有多个价电子的体系，又提出了多组态 h a r t r e e f o c k 方法喁7 】( m c h f ) 和它的相对论版本一多组态的h a r t r e e d i r a c 方 法【8 8 8 9 ( m c d f ) 。在这两种方法中，组念通过变分原理得到了优化，在多组 态的波函数中也已经对电子关联效应进行了重要的分离。m o r r i s o n 和f r o e s e ! ! ! ! 型奎兰堡主兰堡堕塞 f i s c h e r 【9 0 9 ”首次将多组态h a r t r e e - f o c k 方法和多体微扰理论组合应用到占p 原子基态关联能的计算。l i u 和k e l l y 【9 2 则首次考虑相对论效应，将多组态 d i r a c - f o c k 方法作为多体微扰理论的起点，并将其应用于重原子的宇称不守 恒的计算。 1 3 2 多体微扰理论在原子光电离上的应用 k e l l y 首先将多体微扰理论应用到b e 原子体系，在计算中，k e l l y 使用 h f 轨道作为原子实轨道和虚态( 连续态) 的基本轨道。对原子实，势能的交 换相互作用项抵消一个直接作用项， ( ，f “。f 。) = ( 西懈 曲) 一( 打州j 动) 】 ，。 6 ， ( 1 3 1 ) c j v = 忡吲a 6 ) ( 打蚓叫 这就意味着，原子实轨道的一个电子在原子核和其余( 一1 ) 个电子的平均势 场中运动。对虚态而言，由于间距较大时，交换项可以忽略，因此产生了虚 态中的电子在所有_ v 电子体系的势场中运动的情形。这点在物理上是不可 接受的。 由此当虚态使用h f 轨道时，微扰展式会导致不收敛的问题。k e l l y 进而 提出了矿“l 势。当然，考虑到基组的正交性，对于占有态的轨道也使用矿“。 势能。多体微扰理论的计算中多采用此势能。此外q i a n l 9 3 j 等在考虑开壳层 体系未冬通道的相互作用的基础上又提出了有效单粒子势能。 原子光电离过程中的共振结构一直是研究的热点。多体微扰理论对共振 结构的处理一共经历了四个阶段。即孤立共振方法【舛】、相互作用共振方法 1 9 5 1 、通用共振方法1 9 6 l 和耦合方程；8 法t 9 7 1 。 借助于这些方法，多体微扰理论计算了从闭壳层原子到丌壳层体系的大 量的光电离截面，共振结构和角分布参数。最近，刘锦超 9 s - 1 0 3 1 等使用多体 微扰理论计算了铜、钙和钠原子体系的光电离参数，而且首次研究了开壳层 钠原子体系的双光电离过程。a l t u n 1 0 4 。埘1 等人将组态相互作用应用到多体微 扰理论中，计算了钪( s c ) 原子和离子的各分波截面和大共振的结构。 叫川大学博士学位论义 1 4 锰原子及其离子光电离研究历史 1 9 6 9 年，s o n n t a g 【”j 等使用同步辐射法首次测量了过渡会属( t i ，v , c r , m n ， f e c o ，n i ) 的光吸收截面。实验使用的光子能量范围为4 0 3 0 0 e v ，其目的是 获得3 p 电子跃迁到3 j 空轨道的截面信息，但是实验结果与期望值差别较 大。真正引起人们关注的是1 9 7 6 年c o r m e r a d e 1 0 s 等人的工作，他们首次提 出了过渡金属系列3 p 斗3 d 大共振的概念。随后d a v i s 啪- 0 1 使用单组态 h a r t r e e f o c k 分裂理论迅速给出了理论的解释。在f 1 0 8 1 1 0 1 工作的鼓舞下， d y k e i 】等人测量了气态锰的光电子光谱；b r u h n 2 “3 】等分别在1 9 7 8 年和 1 9 8 2 年两次进行了锰原子光电离的实验，得到了更为精确的3 p _ 3 d 大共 振结构，并探讨了3 p 闽值附近各个共振跃迁对总截面的贡献以及共振通道 之倒的相互作用。a m u s i a 【“4 。”】等人使用r p a e 理论计算了大共振附近的光 电离截面和角分布参数，虽然他们的结果与实验值较为接近，但是没有计算 出任何里德堡系列的共振结构。理论工作没有停歇，针对5 4 5 7 e v 的共振 结构，g a r v i n ”6 】使用多体微扰理论的耦合方程方法算出了迄今为止最为理 想的3 矿3 斗3 p 5 3 d 5 ( 7 p ) n d ，n s 罩德堡共振。上面的理论和实验基本上都集 中在3 口_ 3 d 大共振的研究，子壳层分波截面和角分布参数同样是光电离过 程中重要的动力学参数。s c h m i d t m 】等测量了3 口共振区域的分波截面。 k r a u s e “引9 】分两次测量了1 2 2 5 0 e v 范围内的3 s 、3 p 、3 d 和如子壳层的 分波截面，角参数和卫线结构，并将他们的实验结果与y e h t 幢0 i 等人的 h a r t r e e s l a t e rr h s ) 计算值进行了比较，但是二者之间吻合的不好，直到现在， 这方面也没有理想的理论研究与计算。 一价锰离子光电离的研究最初是受到镉原子的研究的启发而开始的。它 们的核电荷数相差l ，但是外层电子数相同，因而人们期望这两个电子的光 电离截面应该具有相似性。c o o p e r t l 2 1 1 等人用激光激发和电离l i e i ( 1 a s e r i n d u c e de x c i t a t i o na n di o n i z a t i o n ) 方法研究比较了锰原子和离子的4 7 5 2 e v 范 围内的光吸收截面，其中没有对锰离子的里德堡结构进行分辨。后来， c o o p e r 1 2 2 1 在1 9 8 9 年又改进了实验技术，使用共振激光驱动电离r l d i f r e s o n a n t i a s e r d r i v e n i o n i z a t i o n ) 方法研究了锰原子和离子的3 p 光吸收截面。 1 9 9 1 年，c o s t e l l o i 等人测量了4 0 7 0 e v 范围内镉、锰和它们的价离子的 光吸收截面，实验中用到了更为先进的双激光等离子体( d u a l - l a s e r - p l a s m a ， 四川大学博士学位论文 d l p ) y y 法。理论工作包括，d o l m a t o v f l 2 4 m 刀计算了锰离子的4 s 截面、3 p 光 吸收截面和3 d 电子的角分布等等，他使用的是自旋极化的r p a e 理论 ( s p r p a e ) 。q u i n e t 和h i b b e r t 【啪】针对实验【1 2 2 1 2 3 中的共振结构，使用组态 相互作用方法进行了标定。 1 5 本论文的研究内容 原子子壳层的光电离截面的精确研究始终是实验和理论工作者关心的 首要问题。k r a u s e 8 ”9 】在】9 8 4 和】9 8 9 的两次实验中，测量了锰原子孙、 3 p 、3 d 幂t 4 s 共4 个壳层的分波截面，并与y e h 等人的理论工作进行了比较。 在论文的第三章，我们从多体微扰理论入手，首先分析了3 p 和纠子壳层光 电离过程中的物理机制，找到了对于截面有重要影响的二阶基态关联图式， 我们的计算结果与实验吻合的很好。相关文章已经发表在c h i n p h y s 2 0 0 3 年 第二期上。 锰原子的4 j 壳层的光电离截面由于受到3 p 斗3 d 大共振的强烈相互作 用，在5 1 e v 附近也会产生独特的共振结构，同样类似的结构也出现在氤原 子的5 s 分波截面中。但是g a r y i n 的理论计算值远低于实验值，对称性与实 验值相比也有一定的差距迄今为止仍没有这个共振结构的理论解释。在计 算这个共振结构之前，我们先分析了3 p _ 3 d 共振跃迁的7 个通道，并以3 d 截面作为类比，发现在g a r v i n 的计算中仅仅考虑了3 p 斗3 d ( 6 p ) 通道的作 用，从而导致计葬结果的缺陷。我们使用耦合方程方法，耦合了对4 $ 壳层 截面有贡献的通道，给出了最为理想的计算结果。 早在1 9 7 6 年，c o n n e r a d e 在实验中发现锰原子由于c o s t e r - k r o n i g 退激 而引起的3 口叶3 d 大共振的结构。此后又陆续地开展了一系列实验和理论的 研究工作。最初人们大多关注大共振结构的精确计算，后来g a r v i n 首次使 用多体微扰理论给出了3 p 寸n d ，脚系列的里德堡共振结构，他的计算值与 实验值基本一致，但是里德堡共振过于发散，过渡金属的共振结构在实验中 多表现为具有一定宽度的共振峰，这点上理论和实验远无法吻合。为了解决 这个理论的难点，我们从多体微扰理论的二阶图式入手，仔细分析和研究了 二阶基念关联、r p a 和a u g e r 图式对于光电离截面的影响，并首次给t t l 了各 个图式确定的物理意义。随后，考虑到耦合方程方法计算的局限性，我们依 叫川人学博士学位论文 次给出了加入上面三种二阶图式的计算结果。结果表明，二阶图式不但有效 的抑制了共振的发教，而且使得能量的位置产生偏移，与实验值吻合的更好。 过渡金属离子的光电离研究对于理解固体的性质具有极其重要的作用。 随着锰原子光电离理论和实验的深入研究，c o o p e r 和c o s t e l l o 等人陆续进行 了三次一价锰离子的光电离实验。由于一个4 j 电子被电离，3 p 寸3 d 和 3 p 斗4 s 的跃迁均表现出丰富的共振结构，同时这两个跃迁通道之间也有着 强烈的相互作用。在第五章，我们首次将多体微扰理论推广到具有两个开壳 层离子体系的计算，我们使用了通用共振方法，并在计算中考虑了自旋一轨 道相互作用，我们细致地分柝了跃迁的通道，对于末态通道使用有效单粒子 势能进行处理，最后给出了我们的计算结果并与实验进行了比较两者符合 的很好。我们的计算结果进一步验证了实验中锰离子纯度不够的结论，而且 在3 p 寸4 s 共振的右侧，发现了锰离子3 d 壳层的一些卫线结构，我们的计 算结果优于d o l m a t o v 的r p a e 的计算。 第二章包括了多体微扰理论及其图式方法和耦合方程方法等等。第三章 是锰原子子壳层光电离散射截面的理论研究。锰原子和离子的共振结构的理 论研究和计算分别在第四章和第五章给出。最后第六章列出了本论文的结 论。 9 四川大学博士学位论文 参考文献 s i m o n ，n r ，a s t r o p h y s j 2 6 0 ，l 8 7 ( 1 9 8 2 ) p a r k i n s o n ，1 h ，s p e c t r o s c o p yo fa s t r o p h y s i c a lp a s m a s ，c a m b r i d g eu n i v e r s i t yp r e s s ， c a m b r i d g e ( 1 9 8 7 ) d a v i s ，l c j a p p lp h y s 5 9 ，6 ( i9 8 6 ) 萄清泉，崔汉蓉，张茹，原子与分子物理学报1 3 ，1 3 5 ( 1 9 9 6 ) g e o f f r e y , v m ，p h o t o i o n i z a t i o np r o c e s s e si ng a s p s ，a c a d e m i cp r e s sn e wy b r k ( 19 7 6 ) 国家自然科学基金委员会，原子分子物理学，科学出版社( 1 9 9 i ) v v b o d r u i f , p r a n dm a r t , g v p r o c r s o c l o n d o ns e r a 3 5 8 8 7 ( 19 7 7 ) k r a u s e ，m o 。a t o m i cp h y s i c s9 ，4 1 4 ( 1 9 8 4 ) h o o d s 丁h a m m n e t t ，a a n db r i o n ，ce ，j e l e c 仃o ns p e c r e l a t p h e n o m 1 1 ，2 0 5 ( 1 9 7 7 ) w o o d r u 丘e r a n ds a m s o t l j a ，p h y s r e v a 2 5 ，8 4 8 ( 1 9 8 2 ) e l a n d ，j hd ，d e v o r e t ，m a n dl e a c h ，s ，c h e m p h y s l e t t 4 3 ，9 7 ( 1 9 7 6 ) l e t o k h o v , v s ，l a s e rp h o t o i o n i z a t i o ns p e c t r o s c o p y , a c a d e m i ：p r e s s ( 19 8 7 ) w u i l l e u m i e r , f ，a t o m i cp h y s i c s w i t h s y n c h r o t r o nr a d i a t i o n ，p h y s i c st o d a y 7 ，4 9 1 ( 1 9 s 1 ) s c h m i d t v s a n d n e r n ，k u n t z e m u l l e r , h ，d h e z , e ，w u i l l e u m i e r , f a n d k a l l n e ，e ， p h v s r e v a 1 3 】7 4 8 ( 1 9 7 6 ) s c h m i d t v ，r e p p r o g p h y s 5 5 ，14 8 3 ( 19 9 2 ) 马礼敦，杨福家同步辐射麻用概论，复口大学出版社( 2 0 0 0 ) h u a n g k n ，c h i ，h c a n dc h o u ，h s c h i n e s e , 1 0 u r n a lo f p h y s i t s 3 3 ，5 6 5 ( 1 9 9 5 ) b u r k e e g a n dr o b b ，w d ，a d v a t m 0 1 p h y s 1 l ，1 4 3 ( 19 7 5 ) b u r k e p g a n dt a y l o r , k t ，j p l a y s b 8 ，2 6 2 0 ( 19 7 5 ) s e a t o n m j ，m o n n o t r o y a s t r o n s o c 1 l8 ，5 0 4 ( 19 6 6 ) d u b a u j a n dw e l l s ，j ，j p h y s b 6 ，i4 5 2 ( 1 9 7 3 ) f a n o ，u ，j o p t s o c a m 6 5 ，9 7 9 ( 1 9 7 5 ) b r u e c k n e r , k a ，p h y s r e v 9 7 ，l3 5 3 ( 1 9 5 5 ) g o l d s t o n e j p r o c r s o ca 2 3 9 ，2 6 7 ( 1 9 5 7 ) k e l l y h e a d v t h e o r p h y s 2 ，7 5 ( 1 9 6 8 ) a m t ：s i a , m ya n dc h e r e p k o v , n a ，c a s e s t u d a t p h y s 5 ，4 7 ( 1 9 7 5 ) w e n d i n g j p h y s b 4 】0 8 0 ( i 9 7 1 ) l a n g h o m p a n d c o r c o r a n c t ，j c h c m p h y s 6 1 ，1 4 6 ( 1 9 7 4 ) c h a n g 一n a n df a n o ，u ，p h y s r e v a1 3 ，2 6 3 ( 1 9 7 6 ) f r o e s e f i s c h e r , c c o m p up h y s c o m m u n 1 4 ，14 5 ( 19 7 8 ) d a g a m o a a n ds t e w a r t a l ，p r o c p h y s s o c l 7 6 ，4 9 ( 19 6 0 ) s a t p e t e r , e e a n dz a i d 、m h ，p h y s r e v 1 2 5 ，2 4 8 ( 1 9 6 2 ) s t e n e r , m ，d e c t e v a ，pa n dl i s i n i ，a