Многоэлектронные эффекты в рентгеновском фотопоглощении субвалентных оболочек

Введение
СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1. Современное состояние исследований фотоионизации субвалентных оболочек.
1.1 Источники излучения и экспериментальные методы исследования фотоионизации.
1.2 Основные квантово-механические соотношения теории фотоионизации.
1.3 Обзор экспериментальных и теоретических исследований фотоионизации субвалентных оболочек атомов благородных газов.
1.3.1 Сложная структура уровней конечного состояния ионов благородных газов.
1.3.2 Сечения фотоионизации субвалентных пв-уровней атомов благородных газов и угловое распределение фотоэлектронов.
1.3.3 Автоионизационные резонансы в области порога фотоионизации т-уровней атомов благородных газов.
1.3.4. Сечение фотоионизации сателлитных уровней, соответствующих основному т-уровню атомов благородных газов.
1.3.5. Радиационный распад и время жизни пз -субвалентных вакансий атомов благородных газов.
1.4 Заключительные замечания.
Глава 2. Метод расчета энергий и волновых функций начального и конечного состояний процесса фотоионизации.
2.1 Релятивистское приближение Паули-Фока.
2.1.1 Вывод уравнений Паули-Фока.
2.1.2 Обоснование применимости метода ПФ.
2.2 Теория возмущений многих тел.
3
2.2.1 Возможности выхода за пределы одноэлектронного при- 62 ближения.
2.2.2 Второй порядок теории возмущен ий. 64
2.2.3 Обоснование применимости второго порядка теории 68 возмущений.
2.3 Численные расчеты корреляционных поправок к матрич- 72 ным элементам.
2.3.1 Потенциалы ионизации состояний ионов Aril, Krll и Xell. 72
2.3.2 Потенциалы ионизации состояний двойного возбуждения 75 атомов АП, KrI и Xel.
2.3.3 Факторы уменьшения Слейтеровских интегралов взаимо- 78 действия атомов Аг, Кг и Хе.
2.3.4 Расчет факторов уменьшения ДПЭО взаимодействия 82 атомов Аг, Кг и Хе.
2.3.5 Расчет факторов уменьшения ПСФО взаимодействия 84 атомов Аг, Кг и Хе.
2.4 Уровни ионов Aril, Krll и Xell в конечном состоянии процес- 86
са фотоионизации.
2.4.1 Энергии и волновые функции уровней иона. 86
2.4.2 Численный расчет состояний иона Krll. 88
2.4.3 Численный расчет состояний иона Aril. 92
2.4.4 Численный расчет состояний иона Xell 95
2.5 Состояния двойного возбуждения атомов Arl, Krl и Xel. 98
Глава 3. Релятивистские эффекты в фотопоглощении субва- 101
лентных оболочек атомов благородных газов.
3.1 Сечение фотоионизации и параметр углового распределе- 101 ния фотоэлектронов.
3.2 5s - основная линия атома Хе. 105
3.3 4s - основная линия и 4p4nd(2S1/2) (л=4-7) корреляционные 110 сателлиты Кг.
3.4 Резюме. 115
4
Глава 4. Деструктивная интерференция каналов радиационно- 116 го перехода, определяющая время жизни субвалент-ной вакансии атомов благородных газов.
4.1 Расчет времен жизни лэ-субвалентной вакансии. 116
4.1.1 Основные соотношения для времен жизни. 116
4.1.2 Расчет амплитуд переходов. 117
4.1.3 Результаты расчета времен жизни и соотношений ветв- 119 ления.
4.2 Анализ полученных данных. 121
4.3 Резюме. 124
Глава 5. Фотоионизация атомов Аг и Кг в области порога лв- 125
субвалентной оболочки через распад состояний двойного возбуждения.
5.1. Расчет фотоионизации через распад состояний двойного 125 возбуждения.
5.1.1 Интерференция каналов прямой фотоионизации и фото- 125 ионизации через автоионизационный распад состояний двойного возбуждения.
5.1.2 Расчет сечения фотоионизации. 128
5.2. Фотоионизация атома Аг и аргоноподобной последова- 131 тельности ионов К* и Са++ в области Зв-порога.
5.2. 1 Зр-фотоионизация последовательности Аг -К* -СаУ+. 132
5.2.2 Зв-фотоионизация атома Аг. 135
5.3 Фотоионизация атома Кг в области 4з-порога. 138
5.3.1 4р-фотоионизация атома Кг. 139
5.3.2 4в-фотоионизация атома Кг. 141
5.4 Резюме. 142
Заключение 144
Литература 146
5
Введение
Работа посвящена исследованию многоэлектронных и релятивистских эффектов в рентгеновском фотопоглощении субвалентных оболочек. При описании многоэлектронных эффектов использованы теория конфигурационного взаимодействия и теория возмущений многих тел. Релятивистские эффекты учтены с использованием оператора Брейта. На основе расчета абсолютных сечений фотоионизации субвалентных оболочек и параметров углового распределения фотоэлектронов показана необходимость одновременного учета многоэлектронных корреляций и релятивистских эффектов при описании процесса фотоионизации в околопороговой области. Показана важная роль деструктивной интерференции каналов распада при расчете времен жизни субвалентных вакансий. Получено, что для описания основных резонансных особенностей в спектрах поглощения внешних оболочек необходимо учесть процесс возбуждения двух электронов в дискретный спектр с последующим бсзра-диационным распадом этого состояния.
Актуальность темы. Рентгеновское фотопоглощение является одним из основных инструментов исследования структуры вещества в физике твердого тела. Фотопоглощение свободных атомов и молекул является отдельным направлением в рентгеновской и элекгронной спектроскопии. Сравнение спектров свободных атомов со спектрами тех же атомов в молекулах и твердых телах позволяет выделить роль эффектов свободного атома и окружения, а изучение коллективного характера процесса фотоионизации позволяег лучше понять механизмы взаимодействия электронов в многоэлектронной системе. Одним из процессов, в которых ярко проявляется большое влияние многоэлектронных эффектов, является фотоионизация субвалентных оболочек атомов и молекул. Вследствие корреляций электронов в фотоэлектронных спектрах субвалентных оболочек присутствует интенсивная сателлитная структура, а припороговые сечения фотоионизации принципиально отличаются от рассчитанных в одноэлектронном приближении. Абсолютные величины сечений фотоионизации и параметры угловой анизотропии фотоэлектронов являются фундаментальными физическими характеристиками, которые позволяют судить о точности теорети-
6
ческих моделей при описании процесса фотопоглощения. Это делает выполненное в данной работе теоретическое исследование актуальным. В недавних прецизионных измерениях спектров фотоионизации в области порога ионизации субвалентных оболочек обнаружена резонансная тонкая структура, обусловленная возбуждением двух электронов в дискретный спектр с последующим распадом этого состояния. К настоящему времени существует идентификация только части присутствующих в спектрах резонансов, основанная на полуэмпирических моделях, что так же делает данное теоретическое исследование актуальным. Исследование процессов, в которых участвуют электроны субвалентных оболочек, дает возможность ответить на вопросы, связанные с точностью теоретических методов и приближений, используемых для описания многоэлектронных корреляций.
Основная научная цель работы заключается в систематическом изучении влияния многоэлектронных и релятивистских эффектов на формирование плавной и резонансной зависимостей сечений фотоионизации субвалентных оболочек многоэлектронных систем и характеристик радиационного распада субвапентной вакансии. Задачи научного исследования определены в соответствии с целью работы и заключаются в следующем:
- изучить зависимость сечения фотопоглощения субвалентных оболочек атомов Кг и Хе в области корреляционных минимумов.
- исследовать процессы радиационного распада субвапентной вакансии атомов Аг, Кг и Хе.
- установить закономерность характеристик процесса фотоионизации внешних оболочек в изоэлсктронной последовательности Аг-К*-Са++.
- исследовать влияние резонансного канала фотоионизации на тонкую структуру припороговых сечений лр-оболочки, а также лб-основного и сателлитных уровней атомов Аг и Кг.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны атомы благородных газов Аг, Кг и Хе. Выбор этих объектов обусловлен несколькими причинами. Во-первых, фотоионизация субвалентных оболочек атомов благородных газов явля-
•'V
7
ется процессом, в котором проявляется существенное влияние многоэлектронных эффектов. Одновременно, заполненные внешние оболочки атомов благородных газов обладают сферической симметрией, что облегчает учет влияния многоэлектронных и релятивистских эффектов на процессы фотоионизации. Во-вторых, интерпретация большинства деталей резонансной тонкой структуры в околонороговых спектрах поглощения субвалентных оболочек атомов благородных газов отсутствовала до настоящего исследования.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Для теоретического описания процесса околопороговой фотоионизации субвалентных оболочек необходим учет межоболочечных корреляций электронов, которые качественно определяют форму сечений, дипольной поляризации валентной электронной оболочки полем субвалентной вакансии и корреляционного уменьшения кулоновского взаимодействия конфигураций, которые определяют величины сечений в широком диапазоне энергий ионизирующего излучения, и релятивистских эффектов, которые определяют сечения и параметры анизотропии фотоэлектронов в области корреляционного минимума.
2. Деструктивная интерференция каналов лр->лБ и т<\-*пр радиационного распада и многоэлектронные корреляции в начальном и конечном состояниях процесса определяют величину вероятности радиационного распада ионов с субвалентной вакансией, увеличивая времена жизни, рассчитанные в одноэлектронном приближении, примерно на два порядка.
3. Увеличение заряда ядра в изоэлектронной последовательности Аг-К^Са^ изменяет соотношение между прямой и корреляционной частями амплитуд Зб-»(п/£)р перехода и, как следствие, смещает корреляционный минимум в сечении Зб-фотоионизации из области непрерывного спектра в область состояний дискретного спектра. Указанные изменения объясняют подавление ЗБ->4р резонанса в Зр-спектре поглощения иона Са+4 и сильное изменение формы ЗБ-»яр резонансов в сечениях Зр-фотоионизации Аг-К+-Са4+.
4. Фотоионизация через автоионизационный распад состояний двойного возбужде-
8
ния приводит к появлению резонансов различной формы в спектрах фотоионизации валентной оболочки, а так же /«-основного и сателлитных уровней атомов благородных газов. На основе анализа положения и формы резонансов в рассчитанных и измеренных спектрах фотоионизации атомов Аг и Кг дана идентификация основных элементов наблюдаемой резонансной тонкой структуры.
Научная новизна основных результатов и выводов исследования заключается в том, что в работе впервые:
- в рамках единого теоретического подхода с неизменной методикой учета многоэлектронных корреляций и релятивистских эффектов рассчитаны спектры фотоионизации субвалентных оболочек всех исследованных объектов и в широком диапазоне энергий возбуждающих фотонов;
- установлено, что на фоне деструктивной интерференции каналов лр-»« и тЛ-мр радиационного распада существенное влияние на величины времен жизни субвалентной вакансии оказывают многоэлектронные корреляции в начальном и конечном состояниях процесса;
- установлено, что изменение соотношения между прямой и корреляционной частями амплитуд Зэ-^лр перехода в последовательности Аг-К+-Са++ приводит к изменению формы Зб—>лр резонансов в Зр-спектрах поглощения этих атомов и подавлению Зз->4р резонанса в Зр-спектре иона Са++;
- на основе совместного анализа рассчитанных и измеренных спектров фотоионизации внешних оболочек атомов Аг и Кг дана идентификация многих элементов тонкой структуры, наблюдаемой в эксперименте.
Научная и практическая ценность данного исследования состоит систематическом исследовании и анализе парциального влияния следующих многоэлсктронных и релятивистских эффекгов на фотоионизацию субвалентных оболочек: дипольная поляризация электронных оболочек, многоэлектронные корреляции в начальном и конечном состояниях процесса, корреляционное уменьшение кулоновского взаимодействия конфигураций, релятивистское сжатие атомных орбиталей и фотоионизация через автоионизационный распад состояний двойного возбуждения. Результаты
9
данного исследования углубляют понимание коллективных процессов, происходящих при взаимодействии элеюгромагнитного излучения с веществом и являются очередным тагом на пути изучения механизмов взаимодействия электронов в многоэлектронной системе. Практическая ценность диссертации, в значительной степени, определяется обобщением программы расчета радиальных частей атомных орбиталей остова и непрерывного спектра методом самосогласованного поля Хартри-Фока на релятивистский случай.
Личный вклад автора. Лично автором под руководством доц. Лагутина Б.М. выполнены все конкретные расчеты и получены основные результаты, которые легли в основу положений, выносимых на защиту. На основе имеющейся программы расчета радиальных частей атомных орбиталей остова и непрерывного спектра методом самосогласованного поля ХФ автором под руководством проф. Сухорукова В.Л. и доц. Петрова И.Д. разработана программа расчета радиальных частей атомных орбиталей остова и непрерывного спектра в релятивистском приближении. В диссертации использованы следующие программы, написанные сотрудниками кафедры физики РГУПСа: программа расчета корреляционных поправок к энергиям и матричным элементам взаимодействия конфигураций (Сухоруков В.Л.); программа расчета энергий и волновых функций уровней иона с субвалентной вакансией (Петров И.Д.); программа расчета амплитуд оже- и автоионизационного распада состояний двойного возбуждения (Сухоруков В.Л.); программа расчета энергий и волновых функций состояний двойного возбуждения (Лагутин Б.М.); программа расчета амплитуд дипольного перехода с учетом межоболочечных корреляций в начальном и конечном состояниях процесса фотоионизации (Петров И.Д. и Лагутин Б.М.); программа расчета корреляционных функций, позволяющая учитывать дипольные переходы между состояниями непрерывного спектра (Лагутин Б.М.); программа расчета характеристик фотоионизации с учетом интерференции нерезонансного и резонансного каналов (Сухоруков В.Л.). Проф. Ведринский Р.В. курировал работу автора на всех этапах исследования. Проф. Сухоруков В.Л. консультировал автора на этапах постановки задачи, получения и формулирования результатов и выводов.
10
Апробация работы. В реферируемых зарубежных и отечественных изданиях опубликовано 7 статей общим объемом 6 печатных листов (список приведен в конце автореферата). По результатам исследований автором сделано 9 докладов и опубликовано 9 тезисов на следующих международных конференциях, совещаниях и конгрессах:
1. 28ой Европейской группе по атомной спектроскопии (г. Грац, Австрия, 1996г.)
2. 17ой Международной конференции по рентгеновским и внутриоболочечным процессам (г. Гамбург, Германия, 1996г.)
3. 20ой Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений (г. Вена, Австрия, 1997г.)
4. 6ий Европейской конференции по атомной и молекулярной физике (г. Сиена, Италия, 1998г.)
5. 60М Международном совещании по атомным спектрам и силам осцилляторов (г. Виктория, Канада, 1998г.)
6. 21ой Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений (г. Сендай, Япония, 1999г.)
I
Структура диссертации определена в соответствие с целью и задачами исследования и состоит из введения, 5-и глав и заключения. В первой главе дана характеристика современного состояния проблемы, степени ее разработанности и выполнен обзор литературы. Во второй главе описан метод расчета энергий и волновых функций начального и конечного состояний процесса фотоионизации с учетом релятивистских и многоэлектронных эффектов. В третьей главе проведено исследование влияния многоэлектронных и релятивистских эффектов на формирование нерезонансной зависимости сечения фотоионизации субвалентных оболочек в области корреляционного минимума. Четвертая глава посвящена исследованию процесса радиационного распада, определяющего время жизни иона с субваленгной вакансией. В пятой главе исследована припороговая резонансная зависимость сечений фотоионизации валентной оболочки, а также ля-основного и сателлитных уровней атомов Аг и Кг. Основные результаты и выводы работы сформулированы в заключении.
11
Глава 1. Современное состояние исследований фотоионизации субва-лентных оболочек.
Процессы, происходящие при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, можно представить следующей приближенной схемой:
радиационный
распад___________V Л+<'А~1 \а.
л , _ фотоионизщия к А+, -\^ V ' ерИ. / ч
А+(0 >А(а)+ерИ, 6е]раАиачюиный (1.1)
распад ++.,_! |
----------------->А (Ь с )+еАи^+ерь
Первая ступень Вторая ступень
На схеме (1.1) однократная фотоионизация атома ( А) квантом излучения со ведет к образованию фотоэлектрона в непрерывном спектре (ерН) и иона остатка () (первая ступень). Изучение этого процесса сводится к определению следующих наблюдаемых величин:
- сечение фотоионизации полное, <т(<у), или парциальное, аа(со), соответствующее определенному уровню (а~]);
- дифференциальное сечение фотоионизации */сги(<у)Д/0, описывающее угловое
распределение эмитируемых фотоэлектронов по телесному углу О;
- спиновая поляризация вылетающих электронов или поляризация (выстраивание) иона остатка.
Если фотоионизация происходит не из внешней, а из более глубокой оболочки атома, то процесс фотоионизации сопровождается последующим распадом возникшей вакансии иона остатка (вторая ступень). Распад проходит или с излучением флуоресцентного фотона (радиационный распад), или с вылетом еще одного электрона (безрадиационный или Оже-распад), причем распад может иметь каскадный характер и включать в себя несколько ступеней. В любом из двух видов распада измеряют величины, аналогичные тем, которые определяются при фотоионизации, а именно:
- вероятность процесса распада (выход флуоресценции или выход Оже-процесса);
12
- угловое распределение или поляризацию частиц - продуктов распада (флуоресцентных фотонов или Оже-электронов, соответственно).
Наконец, в ряде экспериментов, выполняемых по схеме совпадений, измеряются одновременно как характеристики фотоэлектронов, так и частиц, возникающих в результате распада вакансии.
1.1 Источники излучения и экспериментальные методы исследования фотоионизации.
В начальных исследованиях фотоэффекта в качестве источника излучения были использованы возбужденные атомы, излучающие яркие эмиссионные линии. Существенное ограничение излучения, испускаемое этими источниками, заключалось в фиксированном дискретном наборе энергий возникающих фотонов и в относительно слабой интенсивности излучения. Используемое с 50-х годов синхротронное излучение определило качественно более высокий уровень исследований фотоэффекта. Излучение возникает при ускоренном движении релятивистских электронов по круговой траектории в накопительном кольце синхротрона. На начальном этапе синхротронное излучение использовалось как неизбежный побочный продукт при работе синхротронов (так называемые источники первого поколения). Однако, значительное преимущество новых источников, заключающееся в большой интенсивности, возможности непрерывного изменения энергии фотонов и высокой степени их поляризации, привело к тому, что синхротроны стали специально конструироваться именно как источники излучения (источники второго поколения). Наконец, специальные устройства, внедренные в накопительные кольца синхротронов (ондуляторы, вигглеры), многократно увеличили все преимущественные характеристики синхротронного излучения. Такие источники используются в современной экспериментальной физике и носят название источников третьего поколения.
Одним из важных преимуществ синхротрона как источника излучения является крайне высокая степень поляризации излучения. Поэтому дифференциальное сечение фотоионизации хорошо описывается дипольным приближением и может быть представлено в виде:
13
й<та(а>) _ аа((о)
а+А(®)-Р2(со8в)) (1.2)
сЮ 4л-
где О - угол между электрическим векгором линейно-поляризованной падающей
на атом волны и направлением распространения фотоэлектронов,
3 ? 1 „
Р2(соз0) =-собв полином Лежандра второй степени. Величина Ра(ю)- на-
2 2
зывается параметром асимметрии вылетающих фотоэлектронов.
Рисунок 1.1. Угловая зависимость дифференциального сечения фотоионизации при некоторых значениях параметра углового распределения.
Из формулы (1.2) при условии -^>0 следует, что Р(со) лежит в интервале
60
-1 £ Р(со) <. 2. Картина углового распределения, задаваемая выражением (1.2), приведена на рисунке 1.1 для некоторых значений параметра Р(со).
В случае распада образующейся в результате фотоионизации вакансии угловое распределение продуктов распада также может быть описано выражениями вида (1.2) с соответствующими параметрами асимметрии. Основная задача экспериментаторов при изучении фотоэффекта заключается в определении сечений и параметров асимметрии, соответствующих всем ступеням процесса и вылетающим из атома частицам. Решение этой задачи осуществляется методами рентгеновской и электронной спектроскопии с использованием различных методик измерений.
• Спектры поглощения. Интенсивность излучения 1(0)), прошедшего через слой атомов мишени определяется соотношением:
т=1й(со)е-ап‘‘ (1.з)