Исследование спектров тяжелых многозарядных элементов с заполняющейся d-оболочкой

Спектроскопия высокоионизованных атомов начала развиваться в конце 1920;х — начале 1930;х годов, когда многие физики усиленно занялись изучением спектров ионов для подтверждения принципов квантовой механики и новых теорий в атомной физике. Одним из основоположников спектроскопии многозарядных ионов можно по праву считать профессора Лундского университета (Швеция) Б. Эдлена. В своей статье «Атомные спектры» для «Encyclopedia of physics» [1] он обобщил имеющиеся спектральные данные в области спектроскопии многозарядных ионов, дал подробную характеристику спектральных линий, описал регулярности в различных атомных системах и связи между изоэлектронными системами, упорядочил эмпирические данные в форме, удобной длятеоретиков и тем самым снабдил экспериментаторов обобщёнными теоретическими результатами и эффективными методами для анализа и описания спектров ионов.

Новый этап работ в области спектроскопии многозарядных ионов начался в 1960;х годах. Толчком послужило получение спектра Солнца с борта космической ракеты в недоступной для наземных наблюдений вакуумной ультрафиолетовой области. Оказалось, что зарегистрированные спектры нельзя объяснить с помощью имевшихся таблиц спектральных линий и уровней энергии. Необходимость понимания природы этого излучения, определяющего свойства солнечной короны, явилась сильным стимулом к широкому развёртыванию работ по классификации спектральных линий высокоионизованных атомов. Ещё одним стимулом явилось развитие работ по управляемому термоядерному синтезу, для которых требуется спектральная диагностика высокотемпературной плазмы. В последние годы добавилась ещё одна широкая область для приложения спектроскопии высокоионизиро-ванных атомов — создание лазеров в вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.

Зарегистрированные несколько лет назад с использованием космического телескопа Space Hubble Telescope ВУФ спектры химически особенных звёзд инициировали ускорение работ по анализу спектров ионов тяжелых элементов группы платины. В настоящее время исследования в области спектроскопии высокоионизованных атомов ведётся широким фронтом и охватывает спектры от нейтральных до водородоподобных атомов как лёгких,-так и тяжёлых элементов.

Достаточно хорошо на протяжённых изоэлектронных последовательностях экспериментально изучены относительно простые ионы, содержащие заполняющиеся электронные оболочки п=1,2 и 3s, Зр[2−6]. Проведён подробный критический анализ экспериментального материала, позволивший обеспечить высокую надёжность спектроскопических данных для переходов п=2—-п=2. Теоретически предсказано поведение уровней оболочки п=2 для ионов с зарядом ядра до z=100[7], то есть практически для всех возможных ионов соответствующих последовательностей.

За последние годы группой ученых отдела атомной спектроскопии нашего института под руководством д.ф.м.н., Рябцева А. Н. были экспериментально изучены сложные спектры ионов, имеющих Зс1-электроны на заполняющейся оболочке п=3 на протяжённых изоэлектронных последовательностях[8−32]. Были получены достоверные данные о длинах волн и уровнях энергии для большого числа ионов изоэлектронных последовательностей меди, никеля, кобальта, железа, калия и скандия. Благодаря изучению протяжённых изоэлектронных последовательностей найдены некоторые специфические закономерности в поведении уровней ионов с Зс1-злектронами во внешних оболочках. В частности, показано, что наличие конфигурации 3р53с1к+1 является одним из основных факторов, влияющих на структуру спектров ионов с основным состоянием Зс1к. Изменение положения этой конфигурации относительно конфигураций Зс^п! приводит к нарушению изоэлектронных закономерностей в положениях уровней и интенсивностях переходов, делает, невозможным использование экстраполяции для идентификации спектра, а также приводит к несостоятельности любого одноконфи-гурационного расчёта. Была разработана методика идентификации спектров путём использования регулярности отношений полуэмпирических к хартри-ф'оковским параметров вдоль изоэлектронных последовательностей. Опыт этой работы был положен в основу исследования сложных ионов с 4с1-электронами во внешних оболочках" .

Работа по изучению, сложных спектров ионов с 4d-электронами в основном состоянии ведётся уже на протяжении 20 лет. Первоначально были исследованы резонансные переходы ипереходы между первыми возбуждёнными конфигурациями 4d — 4dk15p и 4dk-15s — 4dk-15p в изоэлектронных последовательностях Pdl, Rhl, Rui от серебра до ксенона[33−60]. В последующие годы было продолжено изучение последовательности RhI[61−67]. Особое внимание уделялось переходам между конфигурациями 4d9-(4d84f + 4d86p) [68−72]. Автор данной диссертации провёл детальный анализ этих переходов в ионах кадмия, олова, сурьмы и теллура. Несмотря на долгую и кропотливую работу, которая ведётся в этой области, до сих пор остаётся немало неизученных до конца элементов.

Работа. по изучению сложных спектров ионов с 5d-электронами в основном состоянии также ведётся очень давно. Но, несмотря на это, в достаточной мере хорошо изучены только ионы с основными состояниями 5d8 и 5d9 вдоль изоэлектронных последовательностей Osl и Irl для элементов от платины до висмута. В этих последовательностях подробно были изучены переходы (5d8 + 5d76s) — 5d76p в PtlII — BiVIII и (5d9 + 5d86s) — 5d86p в Ptll — BiVII, а также (5d9 + 5d86s) — [5d8 (5.f+6f+7p) + 5d76s6p] в TlV[73−99]. В настоящее время в лаборатории атомной спектроскопии в сотрудничестве с зарубежными коллегами активно ведётся работа в этой области. Автором диссертации исследовались ионы с основным состоянием 5с12 [100 — 107], причём основное внимание уделялось переходам 5с12 — 5с15Г, ввиду особого поведения конфигурации 5с15:£, вдоль изоэлектронной последовательности от тантала до ртути. -Подробно об этом будет изложено в главе 3, посвященной результатам изучения этой последовательности.

Слабая изученность ионов с 4<1 и 5с1-электронами в основном состоянии определяется следующими причинами. Число уровней в возбуждённых конфигурациях имеет порядка десятков и сотен, что приводит к спектру переходов между двумя конфигурациями из нескольких сотен спектральных линий в весьма узкой спектральной области. Ситуация осложняется тем, что соседние ионы с с1-оболочкой имеют мало отличающийся потенциал ионизации и, поэтому даже в условиях равновесия при установившейся электронной температуре, в плазме существует одновременно несколько ионов. Поскольку обычно используемые источники возбуждения спектров, искровые разряды различных типов, нестационарны, число одновременно присутствующих ионов разной кратности ещё более увеличивается. Поэтому спектрограммы в ВУФ области содержат, как правило, несколько тысяч спектральных линий, причём спектральные области линий различных ионов перекрываются. Для успешного анализа таких переходов необходима спектральная аппаратура с высоким разрешением в вакуумной ультрафиолетовой области спектра, система для точного измерения и обработки спектрограмм, а также надёжные методы теоретических расчётов.

Следующей причиной, как и в Зс1-спектрах является влияние конфигурациис возбуждением внутреннего электрона, в данном случае: 4р54с1к+1, 5р55с1к+1. Энергия возбуждения этой конфигурации вдоль последовательности растёт пропорционально заряду атомного остатка, в то время как у других конфигураций — квадратично заряду. Поэтому вдоль последовательности изменяется относительное положение этих конфигураций, её средняя энергия «опускается» от положения вблизи границы ионизации в начале изоэлектронной последовательности до энергий первых возбуждённых конфигураций. В ионах кратности около 14 конфигурации типа пр5пс1к+1 становятся резонансными (рис.1). Кроме того, аналогично ведут себя конфигурации 4с1к-14? и 5с1к-15:1:. Поэтому при продвижении, вдоль последовательности происходит пересечение конфигураций и их взаимодействие, нарушающее гладкость изоэлектронного поведения уровней и приводящее к полной несостоятельности одноконфигурацион-ного теоретического расчёта.

Данная диссертация посвящена экспериментальному изучению ионов с основными состояниями -4с19 и 5с12. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и приложений.