原子的光电离及相关过程的相对论理论研究

论文摘要

原子的光电离及相关的辐射复合和辐射电子俘获过程是粒子（光子、电子及离子）与原子碰撞过程中的基本过程之一,很长时间以来一直都是原子物理学研究的热点问题。本文在全相对论多组态Dirac-Fock（MCDF）方法的基础上,开发了研究光电离及其相关过程的程序RERR08,并详细研究了相对论效应、多极效应以及电子关联效应对光电离截面的影响。同时,还研究了辐射复合和辐射电子俘获过程。随着原子核电荷数的增加,相对论效应逐渐增强。对类氢离子的不同ns轨道,相对论效应对于束缚能和平均轨道半径的影响并非随着主量子数单调变化。相对论效应不仅对原子结构有重要的影响,同时对原子过程也有不可忽略的影响。对于光子能量较低的类锂Fe23+离子的光电离过程,相对论效应的影响并不显著,随着入射光子能量的增加,相对论效应明显增强。对同一离子的不同壳层电子的光电离截面而言,内壳层电子光电离截面小于外壳层电子光电离截面,表明外壳层电子更易于电离。相同入射光子能量下,不同核电荷数离子的同一子壳层光电离截面,随着核电荷数Z的增加而减小。此外,本文结果还表明多极效应对高能量光子电离高离化态离子的光电离截面也有非常重要的影响。由于电子间的关联效应,当内壳层电子被电离时,会引起靶原子中其他束缚电子电荷密度分布的突然改变,从而导致轨道驰豫效应。本文结果表明,轨道驰豫效应是引起内壳层电子光电离伴随的振激和共轭振激过程的主要原因。通过适当的考虑由轨道驰豫效应引起的单电子轨道的不正交性,很好的重现了SrI原子的3d光电离伴随的5s→6s振激过程和NaI原子的2p光电离伴随的3s→nl振激和共轭振激实验谱。本文还研究了光电离过程的逆过程-辐射复合和辐射电子俘获过程。研究表明,对于高离化态类氦Fe24+离子俘获特定能量和角动量的连续电子到较内壳层的几率较大,而俘获到较外壳层的几率较小。同时,多极效应对于类氢U91+俘获高能入射电子的过程影响非常重要,甚至可以达到50%。在得到精确的辐射复合截面之后,通过考虑靶原子中电子动量分布,可以研究辐射电子俘获过程。本文研究了类氢U91+离子与N2分子碰撞过程中的辐射电子俘获过程。忽略横向电子分布,N2分子中电子的动量分布可以用简单的Compton线形来表示。通过将计算得到的类氢U91+离子的辐射复合截面与Compton线形卷积并且考虑实验中由于粒子相对运动而引起的Doopler效应,很好的重现了相应的实验谱。已有的结果和正在进行的研究表明,RERR08程序的进一步完善和开发,将有助于进一步开展角分布与极化现象、共振结构和干涉效应、巨共振现象、高激发态相关的辐射和非辐射退激发级联过程以及等离子体环境中的光电离和辐射复合过程等领域的研究工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 20世纪的原子物理学与量子力学
• 1.2 光与原子的相互作用 光电离
• 1.3 光电离过程的实验与理论研究进展
• 1.3.1 实验研究进展
• 1.3.2 理论研究进展
• 1.4 论文的结构
• 第二章 理论方法与相关计算程序
• 2.1 原子结构理论
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 单组态 Hartree-Fock近似
• 2.1.3 变分原理
• 2.1.4 自洽场
• 2.1.5 能量
• 2.1.6 多组态计算
• 2.2 原子结构与过程计算方法
• 2.2.1 组态相互作用的 Hartree-Fock方法
• 2.2.2 多组态 Hartree-Fock方法
• 2.2.3 R矩阵方法
• 2.2.4 随机相位交换近似方法
• 2.2.5 含时局域密度近似
• 2.3 多组态 Dirac-Fock（MCDF）方法
• 2.3.1 Dirac-Coloumb哈密顿
• 2.3.2 原子态波函数与组态波函数
• 2.3.3 哈密顿矩阵
• 2.3.4 径向波函数
• 2.3.5 角系数
• 2.4 MCDF方法的修正
• 2.4.1 Breit相互作用
• 2.4.2 量子电动力学（QED）的辐射修正
• 2.4.3 原子核有限体积效应
• 2.4.4 几种常用的基于 MCDF方法的程序包
• 2.5 光电离和辐射复合截面的理论
• 2.5.1 连续态波函数的求解
• 2.5.2 光电离截面
• 2.5.3 辐射复合截面
• 2.5.4 多极跃迁的选择定则
• 2.6 光电离及辐射复合计算程序 RERR08
• 2.6.1 程序概况
• 2.6.2 整体计算流程
• 2.6.3 RERR08程序流程
• 2.6.4 RERR08程序输入及运行界面
• 2.6.5 RERR08程序输出结果
• 2.6.6 RERR08程序的应用
• 第三章 相对论效应与多极效应对光电离截面的影响
• 3.1 相对论效应
• 3.2 相对论效应对原子结构和辐射跃迁的影响
• 3.2.1 相对论效应对类氢离子ns子壳层束缚能的影响
• 3.2.2 相对论效应对于能级和辐射跃迁的影响
• 3.3 相对论效应对光电离截面的影响
• 3.3.1 早期研究工作
• 3.3.2 非相对论与相对论光电离截面
• 3.3.3 相对论效应对类Li等电子系列离子光电离截面的影响
• 3.4 多极效应对光电离截面的影响
• 第四章 电子关联效应对光电离截面的影响
• 4.1 电子关联效应
• 4.2 驰豫效应对于内壳层光电离截面的影响
• 4.3 光电离振激过程
• 4.4 光电离共轭振激过程
• 第五章 辐射复合和辐射电子俘获
• 5.1 辐射复合过程
• 5.1.1 研究现状
• 24+和类氢 U⁹¹⁺离子的辐射复合'>5.1.2 类氦Fe²⁴⁺和类氢 U⁹¹⁺离子的辐射复合
• 5.1.3 多极效应对辐射复合截面的影响
• 5.2 辐射电子俘获过程
• 5.2.1 研究现状
• 5.2.2 理论方法
• 91+离子与N₂分子碰撞中的辐射电子俘获过程'>5.2.3 类氢U⁹¹⁺离子与N₂分子碰撞中的辐射电子俘获过程
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 6.2.1 角分布与极化现象
• 6.2.2 光电离过程中的共振结构与辐射复合过程中的干涉效应
• 6.2.3 巨共振现象
• 6.2.4 重离子中的相对论和 QED效应
• 6.2.5 与高激发态相关的辐射和非辐射退激发
• 6.2.6 等离子体环境中的光电离过程
• 参考文献
• 附录I:攻读博士学位期间已发表和完成的主要论文题目
• 附录II: 攻读博士学位期间的学术报告和学术会议论文摘要
• 附录III: RERR08程序实用计算脚本
• 致谢