（原子与分子物理专业论文）ne原子2s电子激发的自电离态研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 本论文的主要内容包括：使用角分辨的快电子能量损失谱仪，研究了n e 原子 2 s 电子激发的自电离态；设计了一台双环形电子能量分析器，从而可以同时实现 对散射电子的能量和角度的多道测量，这一设计可大大提高电子能量损失谱仪的 探测效率。 在第一章中，首先介绍了电子碰撞方法及电子能量损失谱仪的基本结构和工作 原理；然后介绍了法诺线形的一些基本概念和电子能量损失谱仪可以从事的特色 物理工作。 在第二章中，使用高分辨快电子能量损失谱仪，在2 5 0 0e v 的入射电子能量和 6 7 m e v 的能量分辨下，测量了n e 原子的自电离区4 2 4 8 5e v 的电子能量损失谱， 首次观测到了偶极禁戒自电离态2 s 1 佗s ( 扎= 4 6 ) 和2 s 一1 3 d 。除此之外，还首次获 得了这些禁戒跃迁及偶极允许自电离态2 s l n p ( n ：3 ，4 ) 、2 p 一2 3 s 3 p 在k 2 ：0 9a 肌 时的法诺线形参数。通过比较氖原子和其它惰性气体原子自电离态的动量转移的 依赖特性，发现了一些有趣的现象。并对可能的原因做了解释。 在第三章中，设计了一台双环形电子能量分析器，它可以同时测量散射角在 0 0 一9 0 。和0 0 一一9 0 0 范围的散射电子，在二维位置灵敏探测器上同时获得散射电子 的能量和角度信息，探测效率比以前提高两个数量级。随后的模拟结果显示，当 通过能为5 0e v 、1 0 0 e v 和1 5 0 e v 时，电子束的能窗分别是1 2e v 、2 0e v 和2 5 e v ， 能量分辨可以达到9 0m e v 、1 2 0m e v 和1 5 0m e v 。 第i 页 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ed i v i d e db yt w op a r t s ：t h ef i r s ti st os t u d yt h e o p t i c a l l yf o r b i d d e ne x c i t a t i o n so f2 se l e c t r o no fn e o nu s i n ga na n g l e - r e s o l v e df a s t e l e c t r o n e n e r g y - l o s ss p e c t r o m e t e r ；t h eo t h e ri st od e s i g nt h ed o u b l et o r o i d a la n a l y z e r ，w h i c hc a n a c h i e v et h eh i g he f f i c i e n c yb yd e t e c t i n gt h ee n e r g ya n da n g u l a rd i s t r i b u t i o no fe l e c t r o n s s i m u l t a n e o u s l y i nc h a p t e r1 ，t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e so ft h ef a s t e l e c t r o ne n e r g y l o s ss p e c t r o m e t e r ， t h eb a s i cc o n c e p t i o n so ff a n op r o f i l e s ，a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i cw o r k st h es p e c t r o m e t e r c a nd oa r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，t h ee l e c t r o ne n e r g yl o s ss p e c t r u mi nt h ee n e r g yr e g i o no f4 2 4 8 5e vo fn e o n w a sm e a s u r e dw i t ha na n g l e 。r e s o l v e df a s t e l e c t r o ne n e r g y l o s ss p e c t r o m e t e ra ta l li n c i d e n t e l e c t r o ne n e r g yo f2 5 0 0e va n da ne n e r g yr e s o l u t i o no f6 7m e v b e s i d e st h el i n ep r o f i l e p a r a m e t e r so ft h ed i p o l e - f o r b i d d e na u t o i o n i z a t i o nt r a r l s i t i o n s o f2 s - 1 n s ( n = 4 6 ) a n d 2 s 一13 dw h i c hw e r eo b s e r v e df o rt h ef i r s tt i m e t h eo n e so ft h ed i p o l e a l l o w e de x c i t a t i o n so f 2 s 一1 n p ( n = 3 ，4 ) a n d2 p 一2 3 s 3 pa tk 2 = 0 9 a u w e r ed e t e r m i n e d t h ed i f f e r e n tm o m e n t u m t r a n s f e rd e p e n d e n c eb e h a v i o r sf o rt h ea u t o i o n i z a t i o ne x c i t a t i o n so fn e o na n do t h e rn o b l e a t o m sa r ed i s c u s s e d i na d d i t i o n ，s o m ei n t e r e s t i n gd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e ma r ef o u n d ，a n d t h ee x p l a n a t i o n sa r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r3 ，t h ed e s i g no ft h ed o u b l et o r o i d a la n a l y z e ri sd e s c r i b e di nd e t a i l u s i n g t h i sa n a l y z e r t h es c a t t e r e de l e c t r o n si nt h ea n a l y z e rr a n g eo f0 0 一9 0 。a n d0 0 一- 9 0 0 ，a n d i naw i d ee n e r g yr a n g ec a nb ed e t e c t e db yt h et w o - d i m e n s i o n a lp o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r s i m u l t a n e o u s l y ，s ot h ee f f i c i e n c yo fd e t e c t i o na r ei m p r o v e dg r e a t l y t h ee n e r g yr e s o l u t i o n s o f9 0m e v ，1 2 0m e va n d1 5 0m e v ，a sw e l la st h ee n e r g yw i n d o w so f1 2e v ，2 0e va n d2 5 e v ，w e r eo b t a i n e db ys i m u l a t i n gt h ea n a l y z e ra tt h ep a s s i n ge n e r g yo f5 0e v ，1 0 0 e va n d 1 5 0e vr e s p e c t i v e l y 第i i 页 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：葛敏 2 0 0 8 年f 月，2 日 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章引言弟一早ji 百 原子分子是组成物质的基本单元，它们的物理化学属性也就决定了所组成物质的特 性。这些物理化学属性包括原子分子的电子结构，激发、电离、解离特性，极化、磁性 等，涉及到极其广泛的科学领域，如高空大气物理、天体物理、行星科学、环境科学、 辐射化学、生命科学、材料科学、航天科学。人们通过各种手段去研究原子分子的 基本属性，以探索和解决相关科学领域中的理论和技术难题。比如对于原子分子激发、 电离属性人们分别使用光子、电子、中子等探针作用于原子分子，并研制了各种对 光、对带电粒子敏感的探测设备，来测量原子分子的能级结构、光吸收截面、微分散射 截面等，而这些截面数据又可以应用于对星际物质的光谱研究，给出星际物质的元素含 量，推导宇宙星体年龄等，也可以应用于等离子体核聚变研究。 所以，原子分子物理实验研究主要可以从以下三方面推动科学的发展：( 1 ) 检验基 本的物理学模型和物理学理论；( 2 ) 提供基本物理学数据和发展实验方法，促进其它科 学领域的发展；( 3 ) 为工业生成提供最先进的技术储备。 电子碰撞方法是以电子为探针研究原子分子激发、电离、解离属性的最基本实验方法 之一，本章将分三节介绍快电子碰撞方法的原理、电子能量损失谱仪的基本结构、法诺 线形的一些基本概念。 1 1 快电子碰撞方法原理 原子分子激发态结构和动力学是原子分子物理学的一个基本问题。近二、三十年来， 一方面是由于实验技术如激光光谱技术、高分辨电子能谱技术、同步辐射技术和探测技 术的不断进步，另一方面是由于各种理论方法及相应的大容量高速计算机的快速发展， 使原子分子的激发态结构和碰撞动力学研究在国内外又一次得到了普遍的重视，成为原 子分子物理研究的最重要的前沿领域之一，特别是原子分子高激发态、原子分子超精细 结构、超短脉冲激发动力学、以及原子团簇的研究更是十分活跃。电子与原子分子的碰 撞过程不仅与原子、分子结构及其状态密切相关，而且普遍存在于天体、星际空间、地 球大气、等离子体以及化学反应过程中。因此这些碰撞过程的基本数据和实验技术对于 能源项目、军事技术和许多学科的发展有着重要意义。这些学科包括凝聚态物理、材料 科学、等离子体物理、空间物理、天体物理、化学物理、分子生物学等【1 - 6 】。 电子与原子分子碰撞研究的历史可追溯到1 9 1 4 年的f r a n c k h e r t z 实验，但早期电子 碰撞实验的能量分辨都比较低，当时原子分子的能级特性基本上是依靠光谱学如光吸收 等光学方法得到，电子碰撞实验则主要从事一些截面测量工作。1 9 5 7 年，k s i e g b a h n 发 展了现代的高分辨电子能谱学，其主要兴趣是用光电子能谱法测定原子壳层的结合能， 特别是那些从x 射线数据只能近似地测得结合能的较松结合的轨道。在研究过程中他发 现了核心电子的结合能与化学环境有关。即化学位移，从而开辟了用电子能谱方法研究 原子分子能级结构的方法，即x 射线光电子能谱( x p s ) ，也称为化学分析用电子能谱法 第l 页 中国科学技术大学硕士学位论文 ( e s c a l 。1 9 6 2 年，d w t u r n e r 等人用能量比x 射线低、单色性比x 射线好得多的 真空紫外线来激发样品，从而能更精确地测量电子的轨道结合能，并有效地研究原子分 子的价电子结构，发展了紫外光c a 子能谱法( u p s ) 。此后，俄歇电子能谱法也取得了较 大发展，它尤其适用于探测和鉴别表面元素( 特别是低z 元素) 【7 ，8 】。 与光电子能谱法同时发展起来的是电子碰撞能谱法。其基本原理是：由于非弹性碰撞 使电子损失其部分动能，而此能量等于原子或分子与电子碰撞前的基态能量和碰撞后的 激发态能量之差。这种方法也叫电子能量损失谱方法，所研究的碰撞过程如图1 - 1 所示， 基本过程由如下公式( 1 - 1 ) 表示： 耽，e o ， m ，e ，q a 。 f。 砀 二义, a , p o e ,夕 、 ， 图1 1电子与原予、分子1 扛弹性散射示意图 e o ( 岛，赢) + a e a ( 日，菇) + a ( 玩) ( 1 1 ) 其中e 0 、a 、e d 、a 分别代表入射电子、靶样品原子( 分子) 、散射电子和反冲原子( 分 子1 。设入射电子的初始动能和动量分别为e o 和p o ，散射电子的能量和动量分别为b 和 阢，反冲原子( 分子) 的动能和动量分别为e a 和q ，电子和原子( 分子) 的质量分别为仇 和m ，散射角度为目，由能量守恒和动量守恒可得到散射电子能量为【l 】： 鼠：( m 2 - m 2 ) e o - ( m + m ) m e ，+ 2 m 2c o ；s 2 0 e o + 丽2 m c o s 掣o e o c m 亘2cosa0+巫(m2-霉m2)-(m+m)m ( 1 2 ) 其中e j 为原子( 分子) 的激发能。由于m m ，在通常的快电子碰撞实验中满足 1 譬m m ，因此在小角度有e j = e o 一既，发生非弹性散射时的入射电子的能量 损失值e 近似为激发能： e 二e o 一历e j ( 1 - 3 ) 于是通过测量电子被原子分子散射的能量损失谱可以直接得到原子的各个激发能量。实 验中连续扫描e ，即得到入射电子的能量损失谱，也就是相应的原子或分子的激发厶匕g , 澧i , l e l 因而这样由电子能量损失谱就可以直接确定原子或分子的激发能，进而获得它们的激发 态结构，包括价壳层、内壳层、以及分子的芯壳层的激发结构。这些激发结构包括里德 伯态、双电子激发态等。根据入射电子能量的不同，电子束大体上可分为低能电子( 慢 第2 页 中国科学技术大学硕士学位论文 电子) ，中能电子和高能电子( 快电子) ，衡量它们的尺度是比较入射电子速率与被研 究的原子分子中靶电子的轨道速率。平常所说的慢电子是指其速度与所研究的原子分子 壳层的电子速度相接近的电子，例如用于价壳层研究的电子能量若小于1 0 0e v 就属于慢 电子范围。而中高能电子的速率远大于所研究壳层的电子速率：几百e v 的电子对价壳层 研究是快电子，几k e v 电子对低原子序数的内壳层原子研究来说才是快电子。高能电子 的能量大于1 0k e v ，可用来研究重元素的k 壳层激发和电离f 2 1 。 研究原子分子激发能除了电子碰撞能谱法以外，也可以用光吸收方法通过测量光吸收 谱得到。事实上，当快电子通过原子或分子且动量转移平方k 2 ( k = p o 一阮) 近于零时 ( 光学近似条件) ，相当子有一个时间很短的电磁场脉冲作用到原子或分子上，由傅立叶分 析，时域中的一个快脉冲对应的是频域中的平坦发布，因而此时快电子与原子或分子作 用相当于一个有各种能量的虚光子场作用到原子或分子上，理论上关于快电子散射和光 学激发的关系可参见文献f 9 】。在这种情况下，电子碰撞实验可以用来模拟各种光过程。 对快电子能量损失谱实验，当光学近似条件成立时，非共振的快电子碰撞激发过程( 1 1 ) 可以和能量为e 的光子吸收共振过程比较。 h v ( e ) + a _ a ( 1 4 ) 而快电子能量损失谱实验不仅可在动量转移近于零时测量原子或分子的激发能谱，而 且可以测量大动量转移时的原子或分子激发能谱，从而可以研究非偶极跃迁所涉及的能 级特性，这是光学方法困难之处。 电子能量损失谱方法与光吸收方法相比，在测定激发态能级方面各有所长。光学方法 具有分辨率高、测量方法多等特点。但首先激光光谱能达到的光谱范围有一定限制，使 用多光子激发和非线性光学倍频技术产生短到9 7n m ( 1 2 8e v ) 波长的激光已经很困难， 因此激光光谱法很难应用到更高能量的价壳层高激发态以及内价壳层激发态的研究中。 而另外一个方法是用同步辐射，它可以工作到很短的波长，但需要若干个工作在不同波 段范围的复杂单色器。在电子能量损失谱方法中，用一个简单的直流扫描电源进行李p 偿 电压扫描( 相当于改变入射电子能量损失值) ，就可以实现从红外到x 射线很宽范围内的 扫描。从能量分辨看，激光光谱有最好的能量分辨，对于短波长同步辐射，由于光谱仪 的能量分辨不是常数，a e = e q - ，随光子能量增加而变坏。经过近几年的发展，同步 辐射能量分辨有显著提高，在真空紫外能区( h v 6 0 ) e v 分辨本领譬约5 1 0 4 l o ，x 射线能区( h v 5 ) k e v 分辨本领掣约2 1 0 4f 1 1 】。而快电子能量损失谱仪的能量分辨 主要决定于静电分析器，近于常数，与入射电子损失能量( 即原子或分子激发能) 关系不 大，现在能做到5 0m e v 已经不是很困难，最好己达1 4m e v 。从确定光学截面看，由于 光学吸收方法普遍采用b e e r - l a m b e r t 定律，而存在“线饱和效应”【1 2 ，1 3 1 ，即当仪器能 量分辨e 大于或接近所测谱线的自然线宽r 时测到的截面偏小，而且对于不同的自然 线宽f 减小的程度不一样，因此用基于b e e r l a m b e r t 定律的光吸收方法来确定原子分子 的绝对截面比较困难，特别对有较大截面的分立窄峰更不可靠。由于电子非弹性碰撞是 非共振激发，因而不受线饱和效应的影响。除此之外，快电子能量损失谱实验的优势还 在于，由于电子是束缚在原子分子内部而非自由的，散射过程的能量转移和动量转移非 第3 页 中国科学技术大学硕士学位论文 一一对应，对同样的靶原子或分子激发态，接受到不同动量后跃迁概率会改变【1 4 】，用 电子碰撞方法可以研究这种过程，从而可以更全面地研究跃迁所涉及的能级特性和动力 学，同时对非偶极跃迁研究也提供了重要手段。 51 2角分辨的高分辨快电子能量损失谱仪( a r e e l s ) 的基本结构和工作 原理 根据电子能量损失方法建立的高分辨快电子能量损失谱仪，是研究原子分子的激发态 结构和动力学的强有力工具。我们实验室已于1 9 9 3 年成功地研制了角分辨的高分辨快电 子能量损失谱仪，并投入实际工作f 7 。此后，为了得到更多的碰撞散射信息，向完全实 验发展，从1 9 9 6 至1 9 9 9 年，我们在原有谱仪的基础上，研制并安装调试了正负离子飞 行时间质谱仪，使得这台谱仪不仅能够测量散射电子，而且可以在入射电子呈9 0 0 方向上 测量正负离子信息，研究电离解离过程，从而成为一台电子正负离子符合谱仪f 1 5 】。为 了提高谱仪的收集效率，我们又在1 9 9 9 - 2 0 0 1 年对谱仪的探测系统作了改造，把原来只能 一点探测的通道电子倍增器替换成一次可以进行多道能量分析的一维位置灵敏探测器( 详 细介绍参见f 1 6 ，1 7 1 ) ，使收集效率比原来提高了2 0 倍，这样，我们就可以开展散射截面 比较小的高难度实验，例如我们后面章节要介绍的大散射角度实验或者内壳层的实验。 我们在此简要地介绍谱仪的结构和工作原理( 女图1 2 所示) 。该谱仪由电子枪、单色 器、作用室、可转动的分析器和探测器、一系列电子光学系统以及相应的真空系统、电 源供电系统与计算机在线控制、数据获取系统组成。电子枪、单色器、作用室和分析器 作为四大部分各自处于独立的不锈钢真空室内，室与室之间采用焊接波纹管连接。在电 子枪与单色器、单色器与作用室之间设有真空隔离阀，各真空室均采用独立的涡轮分子 泵机组以实现差分抽气，防止作用室中样品气体进入其它真空室而影响其工作性能。 图1 - 2 角分辨的高分辨快电子能量j ； 失谱仪( a r e e l s ) 高分辨快电子能量损失谱仪的工作过程如下：由电子枪热发射产生能量为2 5k e v 的 第4 页 中国科学技术大学硕士学位论文 表1 - 1国际上现有的快电子能量损失游仪 快电子( 能量展宽约0 5e v ) ，减速后经过直径1m m 的膜孔( 以下膜孔直径相同) 进入半 径2 0c m 的半球能量分析器，由出口膜孔输出单色化的电子，经加速后在作用室被靶粒 子散射，散射电子由补偿电压进行能量补偿，再减速后进入半球能量分析器，经狭缝出 射后被一维位置灵敏探测器进行多道能量收集。通过对补偿电压的扫描，可以测量散射 电子计数随补偿电压的变化，从而得到电子能量损失谱，也就是靶粒子的激发能谱。对 于多道能量收集，我们开发了相应的离线实验处理程序( 详细介绍参阅文献【1 8 ，1 9 】) 。 表1 - 1 给出了目前国际上工作的中高能电子能量损失谱仪f 7 ，2 0 ，2 1 1 。能在零度测量 的仅有三家，其中在零度的能量分辨率能与我们媲美的加拿大b r i o n 实验组的谱仪又不能 转角度测量。我们这台谱仪不仅能在零度测量高分辨的光学振子强度密度谱，还能测量 0 。一1 5 0 的能量损失谱，从而得到更多的物理信息，获得具有世界先进水平的实验结果。 1 3 法诺线形的一些基本概念以及谱仪可从事的特色物理工作 1 3 1 法诺线形的一些基本概念 在自电离态情况下f 2 2 1 ，由于分立束缚态与连续态之间相互作用，不仅使原来处于 束缚态的原子有一定概率处于连续态，而且使在连续谱本底上叠加的束缚峰的谱形发生 变化，甚至可能出现低谷。这种谱形首先被法诺( f a n o ) 在1 9 6 1 年讨论，称为法诺线形 f 2 3 ，2 4 1 。到目前为止，自电离态研究仍是原子分子物理研究的热点和难点之一，原因在 于自电离态中分立能态和电离连续态之间能量的严格匹配，导致传统的组态相互作用方 法在处理自电离态时失效。而且，自电离态的f a n o 峰形造成了谱学分析上的困难。 法诺给出，在原子和分子电离连续区存在多个自电离态情况下，电离截面可写为 玎( e ) = f f a i f 警一1 1 + a b ( e ) ( 1 5 ) 第5 页 中国科学技术大学硕士学位论文 法诺公式也可以用广义振子强度密度来表示 砉= 允f 斜- 1 】+ l ( e ) ( 1 6 ) 其中 e 日t e ，、 2 f 22 r 2 ( 1 。7 ) 。 、 ， 描述对理想的共振能量耳t 的偏离( 以r 2 为能量单位) ，e 是光子能量或电子碰撞实验 中电子能量损失值，r 是自电离共振态的自然线宽。因此，自电离前束缚态的平均寿命 为危r 。r 大表明自电离共振态寿命小，通过各种通道的退激发概率大。如果自电离态只 能以电离形式退激发，r 大就表明从束缚态到束缚态跃迁过渡到束缚态到连续态的概率 大。q 是线形因子，与跃迁到受连续态扰动的分立态的跃迁幅度和跃迁到未扰动的连续态 的跃迁幅度的比值有关，确定吸收截面形状。和分别代表到连续态的跃迁中与束缚 白电离共振态发生作用和不发生作用的两部分的截面。这可以用一个比例系数j d 2 来描述 与自电离共振态作用的连续部分比例： p 22i o 十a e = e r ( i - 8 ) 盯凸十 当连续态只存在与此束缚态发生作用的通道时，即c r 6 = 0 ，此单束缚态的共振吸收线 形由公式( 1 5 ) 决定的法诺线形给出 ，f 上n 、2 f ( ) = 鲁等 ( 1 9 ) 这个式子的值永远不小于零。由它的微分为零可以得到两个极值，第一个极值位置 e 1 或能量位置相对共振中心能量移动e l = e l 一日分别为 l2 一g 或 局：一百q r ( 1 - 1 0 ) 对应的是f ( ) 的最小值零 蜀忙= 1 ) = 0( 1 1 1 ) 这时，仃= c r 6 ，只剩下束缚态到连续态跃迁中与到束缚态跃迁不发生作用的部分。另一个 极值位置是 l 22 一 口 或 n a e 2 2 南 ( 1 1 2 ) 对应的是它的最大值，最大值高度是 毋仁= e 2 ) = q 2 + 1( 1 1 3 ) 由此可见，对法诺线形来说，无论是最大值位置，还是最小值位置，都不在共振中 心，相对共振中心能量均有移动。共振中心e = e o = 0 在最大值位置和最小值位置之 间，- tv 从最大值位置或最小值位置通过公式( 1 1 2 ) 或( 1 1 0 ) 得到。 第6 页 中国科学技术大学硕士学位论文 当e _ 士o o 时，对应的f ( ) 值为1 f 盎士o o ) = 1( 1 - 1 4 ) 相应于连续电离本底口= + ( t b ，这时不存在束缚态到束缚态的跃迁。 注意，法诺线形一般情况下不是单方向变化，而是双向振荡。由公式( 1 1 0 ) 和公式 ( 1 - 1 2 ) 可知，当q 为负值时，e l 0 ，e 2 0 ，它的谱形相对连续电离本底盯= 十a r 6 ( 即 线形函数为1 ) 来说，随能量增加先增加到极大值口2 + 1 ，然后下降到极小值0 位置，再 回复到连续态本底。当q 为正值时，e l 0 ，法诺线形有相反的变化，即随能量 增加先下降到0 ，然后上升到极大值，最后回复到连续本底。 法诺线形有三种典型情况。第一种是在l q l 1 的情况，这时是正常的朝上峰形， 当口_ 土o o 时，峰形完全对称，相应于束缚态到束缚态的跃迁中进入束缚态的概率远 大子进入连续态的概率，也就是说不存在自电离束缚态与连续态的相互作用。第二种是 在i q i 1 的情况，峰形不对称，朝上与朝下都有，对应于束缚态到束缚态的跃迁与柬 缚态到连续态的跃迁的概率差不多。第三种是在q 一0 的情况，峰形朝下，称为窗共振 ( w i n d o wr e s o n a n c e ) ，对应于束缚态到束缚态的跃迁中进入连续态的概率远大于进入束缚 态的概率，也即自电离束缚态与连续态的相互作用最强。 1 3 2 谱仪可从事的特色物理工作 快电子能量损失谱仪的建立为研究原子、分子的激发态结构，其电离、解离过程和动 力学，以及在分子水平上研究化学反应的机理提供了强有力的手段。例如，它可用来测 量原子、分子的光学振子强度【1 5 ，2 5 1 ，同时因为电子碰撞方法不受电偶极跃迁定则的限 制，可以在大的动量转移条件下研究偶极禁戒跃迁包括内价壳层跃迁所涉及的能级特性 和作用截面，并获得广义振子强度的信息f 1 5 ，2 6 】。 对于自电离区，电子能量损失谱的优点主要有两个，一是可以观测到光学禁戒的自 电离态，包括电单极、电四极允许的自电离态，这可以丰富原子分子能级结构数据。再 者，电子能量损失谱方法可以测量自电离态峰形参数的动量转移依赖特性，而这是其它 方法例如光吸收方法所不具备的，这可以更严格地检验理论计算方法，也可以用于检验 原子分子的激发态波函数。另一方面，考虑到我们谱仪的能量分辨较高，而且可以进行 转角度测量，特别适于这一类的研究，本论文的工作正是利用这台谱仪开展了氖原子自 电离态的研究，除了观测到光学禁戒的自电离态之外，还研究了其f a n o 线形参数的动量 转移依赖特性。 第7 页 中国科学技术大学硕士学位论文 参考文献 【1 】徐克尊，现代物理知识，1 ，3 3 ( 1 9 9 3 ) 【2 】徐克尊，物理，2 7 ，7 3 7 ( 1 9 9 8 ) 。 3 】陈佳洱主编，原子分子物理学，科学出版社，1 9 9 1 【4 】钟志萍，博士论文，中国科学技术大学，1 9 9 7 f 5 】g s t a r k ，b r l e w i s ，s t g i b s o n ，a n dj p - e n g l a n d ，a s t r o p h y s j 5 0 5 ，4 5 2 ( 1 9 8 8 ) 【6 】j w g a l l a g h e r ，c e b r i o n ，j a r s a m s o n ，a n dw l a n g h o f f ，j p h y s c h e m r e f d a t a1 7 ，9 ( 1 9 8 8 ) 。 f 7 】风任飞，博士论文，中国科学技术大学，1 9 9 3 【8 】t a 卡尔森，光电子和俄歇能谱学，科学出版社，1 9 8 3 9 】李家明，物理学报3 2 ，8 4 ( 1 9 8 3 ) ；田伯刚，李家明，物理学报3 3 ，1 4 0 1 ( 1 9 8 4 ) 【1 0 】k s c h u l z ，g k a i n d l ，a n dm d o m k e ，p h y s r e v l e t t 7 7 ，3 0 8 6 ( 1 9 9 6 ) 【1 1 】a f i l i p p o n i ，m b o r o w s k i ，d t b o w r o n ，s a n s e l l ，a d ic i c c o ，s d ep a n f i l i s ，a n d j p i t i e s ，r e v s c i i n s t r u m 7 1 ，2 4 2 2 ( 2 0 0 0 ) f 1 2 】r d h u d s o n ，r e v g e o p h y s s p a c ep h y s 6 ，3 0 5 ( 1 9 7 1 ) 【1 3 】w f c h a n ，g c o o p e ra n dc e b r i a n ，p h y s r e v a4 4 ，1 8 6 ( 1 9 9 1 ) 【1 4 】m i n o k u t i ，r e v ，m o d p a y s 4 3 ，2 9 7 ( 1 9 7 1 ) 【1 5 】朱林繁，博士论文，中国科学技术大学，1 9 9 9 f 1 6 】刘小井，博士论文，中国科学技术大学，2 0 0 1 【1 7 x j l i u ，l f z h u ，x m j i a n g ，z s y u a n ，b c a i ，x j c h e n ，a n dk z x u ，r e v s c i i n s t r u m 7 2 ，3 3 5 7 ( 2 0 0 1 ) 【1 8 】蔡蓓，学士论文，中国科学技术大学，2 0 0 1 【1 9 】江锡满，硕士论文，中国科学技术大学，2 0 0 1 【2 0 lj f y i n g ，c p m a t h e r sa n dk t l e u n g ，p h y s r e v a4 7 ，r 5 ( 1 9 9 3 ) 1 2 1 】j t f r a n e i e se ta l 。，e h y s r e v 。a5 2 ，4 6 6 5 ( 1 9 9 5 ) 。 第8 页 中国科学技术大学硕士学位论文 【2 2 1 徐克尊，高等原子分子物理学，科学出版社，2 0 0 6 2 3 】u f a n o p h y s r e v ，1 2 4 ，1 8 6 6 ( 1 9 6 1 ) 【2 4 】u f a n o a n dj w c o o p e r p h y s r e v a1 3 7 ，1 3 6 4 ( 1 9 6 5 ) ( 2 5 1 李文斌，博士论文，中国科学技术大学，2 0 0 4 【2 6 】暨青，硕士论文，中国科学技术大学，1 9 9 6 第9 页 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章n e 原子2 s 电子激发的自电离态研究 曲前一章的论述可知，高分辨快电子能量损失谱仪是研究原子自电离态的强有力的实 验工具。本章就是利用该装置研究了氖原子的2 s 电子激发的自电离态。本章的具体组织 如下：第一节介绍了氖原予的研究现状第二节介绍了我们的实验条件，第三节对解谱 方法作了说明，第四节对实验结果进行了讨论。 2 1 研究现状 原子的自电离态对于研究强电子关联效应以及直接电离、自电离和荧光退激发的竞 争过程很重要【l _ 3 1 。人们早期一般使用x 射线作为光源，来研究原子内壳层激发的自 电离态能级结构。后来，同步辐射技术不断发展，由于它的单色性好、亮度高，而且从 可见光到x 射线波段都有很好的能量分辨，这为研究原子自电离态能级结构提供了非常 好的实验手段。关于氖原子内壳层激发的自电离共振区，其最早的研究工作可追溯到上 世纪六十年代，也即m a d d e n 等人f 4 】使用同步辐射光源对惰性气体原子能级结构进行 了深入广泛地测量，这些能级结构包括价壳层、内价壳层自电离态、双电子激发自电离 态和内壳层激发态等，他们最先发现了氖原子自电离共振区2 s 2 2 矿1 岛_ 2 s 2 p 6 n p1 b 跃 迁的九条谱线。随后c o o p e r 等人f 5 1 从理论上对实验观测到的峰形做了解释。在1 9 6 7 年，c o d l i n g 等人f 6 1 同样用同步辐射方法研究了氖原子在能量范围2 0 1 5 0e v 内的光吸 收谱，他们观测到了氖原子2 s 壳层单电子和双电子激发自电离态的偶极允许跃迁，并给 出了这些跃迁的能级位置和法诺线形参数。此后，由于分辨率的极大提高1 7 1 ，激发了人 们对自电离态研究更广泛的兴趣。到了上世纪八十年代，a l e k s a n d r o v 等人f 8 】采用光吸 收方法测量了氖原子1 5 5 6 2e v 范围内各跃迁的振子强度，在他们的实验中也得到了氖 原子自电离共振态的能级位置和谱线的半高宽。然而，由于受到偶极跃迁选择定则的限 制，基于同步辐射的自电离态研究只能限于光学允许跃迁。 对研究原子分子的能级结构来说，电子碰撞方法不仅能同时观测到偶极允许跃迁和偶 极禁戒跃迁，还能提供电子激发过程的详细信息，例如动量转移的依赖特性f 9 】。以前利 用电子碰撞方法研究氖原子自电离态的工作在低能电子碰撞方面，s i m p s o n 等人f 1 0 ，1 1 】 在入射电子能量6 0 。4 0 0e v 、能量分辨是1 0 0 - 1 5 0m e v 的条件下测量的氖原子2 s 电子激 发的电子能量损失谱。他们除了观测到一些偶极允许跃迁2 s 2 2 p 6 1 岛_ 2 s 2 矿印1 只外， 还首次发现了一个偶极禁戒跃迁2 s 一1 3 s 。1 9 7 0 年，b r i o n 等人f 1 2 】使用阈值电子碰撞方 法观测到氖原子在4 3 7e v 处的一个自电离态，并把这个跃迁标定为2 s - 1 3 s1 s 态。在高 能电子碰撞的实验研究方面，钟志萍等人【1 3 】和c h a n 等人【1 4 】在入射电子能量大于1 5 k e v 的条件下测量了氖原子2 s 电子激发的快电子能量损失谱。其中，c h a n 等人【1 4 | 使 用偶极( e , e ) 方法在1 0 0m e v 能量分辨条件下测量了氖原子自电离共振激发态的电子能量 损失谱，观测到包括氖原子2 s 内壳层激发的单电子激发态和两个2 p 电子激发的双激发 态，但他们只给出了相应跃迂的能级位置。钟志萍等人【1 3 】除了在6 0m e v 的能量分辨和 第1 0 页 中国科学技术大学硕士学位论文 偶极( e ，e ) 条件下测量氖原子2 s 电子激发的能谱外，还在1 0 0m e v 分辨和大动量转移条 件下观测到了偶极禁戒跃迁2 s _ 1 3 s 和2 s _ 1 4 s 。包括氖原子，我们组过去曾经对惰性气体 原子系列( n e 1 3 1 ，a r 1 5 ，1 6 1 ，k r 1 7 ，1 8 ，x e 1 9 ) 的n s ( n 代表原子的最外壳层的主量子数) 电子的偶极禁戒自电离跃迁进行了系统研究。作为对以前研究工作的延续f 1 3 1 ，在这次实 验中我们在更好的分辨条件下测量了氖原子在大动量转移时的电子能量损失谱，发现了 更多的偶极禁戒自电离态，并对偶极允许和偶极禁戒自电离态的动量转移依赖特性做了 研究。 在理论研究方面，文献 1 3 ，2 0 一2 3 1 采用不同的方法计算了偶极允许自电离态2 s 一1 u p 的能级位置和法诺线形参数。1 9 6 5 年，f a n o 和c o o p e r 2 0 1 在解释法诺线形时，计算 了氖原子偶极允许跃迁2 s 一3 p 的法诺线形参数q 和r 。b u r k e 和t a y l o r 2 1 1 用r 矩 阵方法计算了氖原子的光电离截面和自电离态2 s 0 3 p 、2 s 一1 4 p 的法诺线形参数。1 9 6 5 年，s e w e l l 2 3 】使用h a r t r e e - f o c k 方法计算了氖原子偶极允许自电离态2 s l n p ( n = 3 7 ) 的能级位置。1 9 7 3 年，l u k e 2 2 1 研究了氖原子单电子激发的自电离态，他采用多组态紧 耦合方法计算了自电离共振态2 s - 1 扎p1 p 前十条跃迁的能级宽度。据我们所知，只有邹 宇采用相对论的多道理论方法计算了2 s - 1 3 s 和2 s - 1 4 s 跃迁的能级位置【1 3 1 。以上前人的 工作总结于表2 1 。 表2 1氖原子自屯离区激发的研究总结 作者跃辽测量计算的物理量 实验c o d l i n ge ta 1 【6 j2 s _ 印，卸，劬e ，q a l e k s a n d r o ve ta 1 【8 】 2 s _ 劬，卸，勋，印 e s i m p s o ne ta 1 1 1j2 s _ 啼3 p ，和，劬 e b r i o ne ta 1 1 2 】2 8 3 9e z h o n ge ta 1 【13 】 2 s 一劬，知，5 p ，6 p ；3 s ，4 s e c h a ne ta 1 1 4 】 2 s 一劬，和，5 p ，劬 e p r e s e n tw o r k 2 s _ 劬，4 p ；3 s ，4 s ，5 s ，6 s ，3 d e ，f ，口 理论z h o n ge ta 1 1 3 】2 s _ 劬，4 p ，5 p ，6 p ；3 s ，4 s e l u k e 2 2 】 2 s + 勋，勿，勋，印 e s e w e l l 2 3 】 2 s 一印，4 p ，印，6 p ，劢 e 由上述讨论可知，过去大部分的实验和理论工作都没有测量和计算偶极禁戒自 电离态的线形参数( 例如线形因子q 和r ) ，特别是缺少较高激发态2 s 一1 n s ( n 4 ) 和 2 s 一1 m d ( m 3 ) 的数据。而且无论是偶极禁戒还是偶极允许自电离态峰形参数的动量转 移依赖特性，以前的实验和理论研究都没有涉及，因此有进一步研究的必要。 第1 l 页 中国科学技术大学硕士学位论文 2 2实验条件和实验方法 我们使用前文提到的角分辨的高分辨快电子能量损失谱仪，实验条件为2 5 0 0e v 的 入射电子能量和6 7m e v ( f w h m ) 的能量分辨，氖气纯度为9 9 9 9 ，工作气压为8 1 0 - 3 p a 。由于我们在1 9 9 9 2 0 0 1 年对谱仪的探测系统进行了改造，把原来只能单点探测的通 道电子倍增器替换为可多道测量的一维位置灵敏探测器f 2 4 】，提高散射电子的收集效率2 0 多倍，因此我们就可以更容易地开展截面较小的自电离态研究，尤其是截面更小的大动 量转移下的自电离态研究。本次实验就是在大散射角( 4 0 ，k 2 = 0 9 0a u ) 测量了氖原子 的自电离区4 2 4 8 5e v 的电子能量损失谱，能谱的标定采用氖原子在4 5 5 4 6e v 处的 2 s - 1 3 p 跃迁。实验误差主要来源于以下几个因素：单点标定误差、解谱误差和统计误差 等。 2 3 解谱方法简介 对于氖原子的2 s 电子激发的自电离态，其峰形为法诺线形。为了从电予能量损失谱 中得到各个跃迁的法诺线形参数，就必然涉及到对f a n o 线形的解谱，这里需要用到一些 特殊的解谱技术。在此，我们将着重讲述所采用的解谱方法和误差估计方法。 由第一章可知，若不考虑谱仪分辨，理想的实验观测谱应为： 盯( e ) = “譬警一1 1 + a b ( e ) 实际上，考虑到谱仪的能量分辨，实验上观测到的能损谱为上述公式与仪器函数卷积的 结果，如下式： ， n ( e ) = a ( e e w ( e 7 ) d ( 2 一1 ) ， 这里，i ( e 7 ) 为我们谱仪的仪器函数，具体而言，为p e a r s o n ( i v ) 函数。上述公式中的电 离连续区a b ( e ) 可由一个线性函数很好地描述。利用最4 - - 乘法拟合，我们就可以得到 每一个自电离态的峰形参数。下面讨论实验误差的估计。 根据统计学原理，如果观测值z 服从正态分布，则拟合的妒量 x 2 = ( z 一z )