电子碰撞谱学.doc

原子与分子碰撞物理当代高科技领域研究新的突破，依赖与我们在电子运动的水平上，对物质结构和相互作用的理解。原子分子物理学的任务是阐明物理学的基本定律，了解物质的结构和在原子分子的水平上研究物质的演化和相互作用的规律，以及创造新技术研制新器件。由原子分子的研究而创立的实验和技术，常常为物理学的其他方面和许多相邻学科如化学，天体物理学，凝聚态物理学，等离子物理学，表面科学，生物和医学所采纳，原子分子物理所产生的数据，是所有自然科学所必须遵循的基本知识的重要组成部分原子分子物理的基础研究，使军事科学发生了革命性的变革，原子分子实验室发明的先进技术，导致了新型产业的发展。生命科学中的许多科学问题，是建立在原子分子物理数据和理论研究之上的。例如，航天科学就需要了解电子同分子的碰撞过程，因为在地球的电离层中电子同氧和氮分子的碰撞是干扰通讯的主要因素。在强激光场中电子同分子的碰撞能提供给我们对化学反应本质更新和更深刻的理解，并能获得新的化学反应通道。现在电子散射是作为一个研究凝聚态物质，纳米材料电子结构有效的手段。电子和分子碰撞的散射截面数据，更是等离子体过程和发展大功率激光器所急需的。现在的研究表明：3-20 eV 的低能电子能够使DNA的链断裂，表明电子碰撞正在生命科学中扮演重要的作用。21世纪，高科技的发展对原子分子的要求给了它空前的发展机遇，也使它面临挑战 ：原子物理的前沿课题是研究原子和分子体系的瞬态，难题是如何描述与时间有关的多电子体系，如何描述电子的关联，电子-原子核能量与动量的交换，希望通过对电子关联的描述，获得对多体体系的物理理解和定量的描述，并把这一概念加以扩展，以帮助解释原子在分子或更复杂场中的动力学行为。当前，分子物理学的根本任务在于了解电子和核在分子场中的动力学，而研究这些动力学过程的一个最有力的工具，就是从原子分子中散射电子，既电子和分子的碰撞。电子，原子和分子的散射容许我们对原子和分子体系的瞬态进行研究。研究电子同原子分子碰撞研究的科学意义是非常重大并富有挑战性：因为多体问题构成物理学的一个主要的智力挑战：50年前建立的独立粒子模型，现在凭借高速计算机的力量已经从数值上有了全面的理解，可是实验揭示的一系列的现象不能用独立粒子模型来解释，这些现象是由多体体系中电子-电子的相互作用引起的。多体中电子-电子之间的相互作用导致电子的关联，认识相关系统中动力学的作用，是对原子物理学的挑战，多年来原子分子物理学家一直在探索：电子-电子是怎样相互作用的？我们需要考虑什么 ？原子分子的碰撞，激发，电离等过程的研究是探索多体体系问题有效的手段 ，这是基础物理极具新的科学突破潜力的课题。它将表现在下面几个方面：1、电子同复杂原子的碰撞理论研究在过去的10-15年里，由于高功能计算机的应用，现在的理论有能力对电子-原子，分子和离子碰撞过程的数据进行验证和计算，在高能和低能二方面已取得了成功。当前，这个领域的理论研究集中在中能范围，因为在这个区域，一个最基本的理论问题是处理无限多的分立和连续通道，和复杂原子的电子激发，振动，共振等重要的碰撞过程，以及重排，能量转移，受激反应的有效计算。 在这个能量范围，有三个理论方法：1.耦合通道光学势方法2.中能的R-矩阵方法3.Born-系列的畸变波方法 应用这些方法处理复杂原子的散射问题，还需要理论的发展。我们将在动量空间耦合通道光学势方法的基础上，将发展新的理论和计算方法，计算电子同复杂原子的弹性，激发，电离的积分微分和总的散射截面，并将成功的方法扩展到处理与固体表面上原子，碰撞为相邻学科提供急需截面数据。 2、电子同激发态的原子碰撞理论研究 现在我们对电子碰撞激发基态原子已有了基本的理解，激发态的原子的碰撞的理解并不多，电子碰撞激发态的原子在高稠密的等离子体，大气和天体物理，激光物理扮演重要的作用，特别是电子碰撞过程涉及亚稳态的原子是非常重要的。因为，亚稳态的长寿命和大的能量能够传递给电子。但是，我们对电子同激发态原子的碰撞所知是很少的。目前的研究显示了它与基态原子碰撞不同的物理机制。电子同激发态原子分子碰撞的截面是天文和大气物理急需的，特别是当在实验室中不能模拟所对应的条件，理论的研究是非常迫切的。 3、原子的内壳层电离研究电子碰撞原子电离是原子碰撞领域最有兴趣的课题， 也是等离子物理，天文物理大气物理和生物学领域中重要的过程。电子碰撞原子电离导致一个新的谱学的建立和发展：电子动量谱，它给出对原子和分子结构的深刻理解，近年来，它对生物大分子的结构研究取得重要的成果。 电子碰撞电离是原子分子碰撞的最重要的过程，是由三体库仑相互作用问题，由于库仑力的长程性质，它提供对理论的挑战和丰富的理论问题。迄今为止，我们还没有一个理论方法被证明在整个的动力学范围是有效的。在上一个十年，畸变波玻恩近似方法（DWBA）在相当大的动能范围给出与实验相符合的计算结果，建立了一个理论标准。 最近，一系列的实验报告了原子内壳层电离的微分截面的测量结果和DWBA的理论计算结果有非常显著的差别。实验和理论的不同要求有一个新的动力学机理，因此，原子的内壳层电离问题，成为当前理论研究的焦点。我们在DWBA理论的基础上，通过不同的极化势， 俄歇和自电离需要过程考虑电子-电子高级关联，探索了原子内壳层电离的动力学新的机制。4、电子同分子的碰撞当前，分子物理学的根本任务在于了解电子和核在分子场中的动力学，而研究这些动力学过程的一个最有力的工具，就是从分子中散射电子，既电子和分子的碰撞。在高的入射能量范围 波恩近似在低的入射能量范围 R-matrix方法 Schwinger变分法在中等入射能量范围：也就是在靶的电离阈值以上至几百电子伏，理论处理是十分困难的。因为有包括分子的连续态在内的无穷多的连续通道open. 还没有一个理论方法解决分子的连续态问题。发展动量空间耦合通道光学势方法已取得的成果： Electron-H2弹性散射截面 Electron-O2弹性散射截面5、正电子同分子碰撞：在正电子同原子碰撞的基础上，研究正电子同分子碰撞问题6、正电子与原子碰撞的理论研究 30年代，Dirac 在理论 上 预言正电子的存在，Anderson 在实验上探测到正电子，成为20 世纪物理学最惊人的发现。正电子物理一直是物理学家感 兴趣的课题，特别是，20世纪80年代，由于强正电子束的出现，使正电子物理成为近十年最活跃的研究领域。应用背景：正电子是电子的反粒子，正电子同原子分子的碰撞是反 物质同普通物质的相互作用 正电子湮灭是研究普通物质结 构的工具和带给我们所不能达到的宇宙空间的信息 . 正电 子的x-射线（PET）是研究人类思维过程的工具。学术意义：研究正电子同原子分子相互这样作用能够使我们深刻理 解量子力学的多体理论。正负电子同原子分子碰撞的根本区别： 正电子：二个中心相互作用产生新的电荷转移重排通道，没有电子交换负电子：一个中心问题电子同原子分子碰撞理论不能覆盖正电子-原子分子体系相互作用理论，要求理论的发展。1.低能范围：（电离阈值以下） Accrurate variational calculation Hyperspherical coordinate approach Close coupling method 计算了正电子-氢原子和正电子-碱金属体系的散射截面2.中能范围：（电离阈植以上至几百电子伏） 理论工作最重要的进展是Close coupling method的应用。 a.L2展开方法：坐标空间R-矩阵的理论框架（Belfest group, 1996）动量空间 的二个中心的Close coupling method (J. Mitroy and His co- workers, 1996) b.动量空间耦合通道光学势方法 Feshbach 算符和波函数的分离技术， 发展了一个 ab initio 复的光学势：实的部分描述正电子对靶的极化 虚的部分描述 新的通道的产生 7、强激光场下的电子与原子碰撞问题我们将研究在强激光场作用下电子同原子分子相互作用的