Interested Article - Спектроскопия многократно ионизованных атомов (история достижений)

Спектроскопия многократно ионизованных атомов - этот раздел спектроскопии имеет дело с излучением атомов , лишенных нескольких электронов (многократно ионизованные атомы (МИА), многозарядные ионы , высокоионизованные атомы). МИА наблюдаются в очень горячей плазме (лабораторной или астрофизической) или в экспериментах на ускорителях (пучок-фольга, электронно-пучковые ловушки ионов ( )). Самые низковозбужденные электронные оболочки МИА обычно распадаются в стабильные основные состояния с испусканием фотонов в и мягкой рентгеновской области спектра (так называемые резонансные переходы).

Познание природы света

После открытия Ньютоном спектральной структуры белого света (17е столетие) и последующих исследований структуры света ( Гук , Гюйгенс , Юнг ) Фраунгофер провел наблюдения и измерения длин волн темных линий в спектре Солнца (они носят теперь его имя, хотя некоторые из них наблюдал ранее Волластон ). Видимо, это можно назвать первыми фундаментальными исследованиями в спектроскопии.

Позднее Бунзен и Кирхгоф обнаружили, что фраунгоферовы линии соответствуют эмиссионным линиям, наблюдаемым в лабораторных источниках света, и тем самым заложили основы для спектрохимического анализа в лаборатории и в астрофизике.

Первые шаги спектроскопии

В 19-м столетии появились новые технологии, такие как фотография, изобретение вогнутой дифракционной решетки , а также работы по открытию вакуумного ультрафиолета (ВУФ) (использование флюорита для призм и линз, низкожелатиновые фотопластинки и поглощение УФ излучения с длиной волны короче 185 нм воздухом). Это обеспечило быстрое продвижение в сторону коротких длин волн. Именно в это же время Лайвинг и Дьюар открыли серии в спектре натрия, Хартли нашел, что в волновых числах имеются постоянные разности, Бальмер нашел соотношения, связывающие длины волн в видимом спектре водорода и, наконец, Ридберг [13] вывел формулу для волновых чисел спектральных серий.

Квантовая физика

В первом десятилетии 20-го столетия возникли основы квантовой теории ( Планк , Эйнштейн ), а также интерпретации спектральных серий водорода в вакуумном ультрафиолете Лайманом и в инфракрасной области спектра Пашеном . Ритц сформулировал свой комбинационный принцип .

В 1913 году Бор создал свою квантовомеханическую модель атома. Это стимулировало эмпирический анализ энергетической структуры (термов) атомов (см. ссылки стр. 83).

В 1920-30 годах Паули , Гейзенберг , Шредингер и Дирак развили фундаментальные концепции квантовой механики. Понятие спина и принципа исключения для состояний электронов позволило установить, как электронные оболочки атомов заполняются с возрастанием атомного номера .

Многократно ионизованные атомы

Дальнейший прогресс в изучении структуры электронных оболочек атомов происходил в тесной связи с продвижением в коротковолновую область ВУФ.

Милликен , и использовали электрические разряды между электродами в вакууме (вакуумная искра) и наблюдали ряд спектральных линий вплоть до 13 нм. Они приписали эти линии многократным ионам. В 1927 году Осгуд и Хоуг сообщили о создании спектрографов с вогнутой дифракционной решеткой в скользящем падении и сфотографировали линии до 4,4 нм (K α углерода). Довилье использовал кристалл из жирных кислот с большой постоянной кристаллической решетки и продвинулся вверх по мягкой рентгеновской области до 12,1 нм, что перекрыло зазор в длинах волн. В то же время сконструировал очень совершенный , позволивший Эриксону и получить спектры вакуумной искры высокого качества и надежно идентифицировать линии МИА вплоть до O VI, пятикратно ионизованного кислорода. Гротриан разработал графическое представление энергетической структуры атомов (диаграммы Гротриана). и предложили свою схему связи для спин-орбитального взаимодействия и общепринятые ныне обозначения для уровней энергии.

Теоретические квантовомеханические расчеты оказались довольно точными для описания энергетической структуры некоторых простых электронных конфигураций. Результаты таких расчетов были обобщены и Шортли в 1935 году.

Наблюдения и идентификации спектров МИА

в течение многих лет проводил тщательный анализ спектров МИА для большого числа химических элементов и установил закономерности в энергетической структуре МИА для многих изоэлектронных последовательностей (ионов с одинаковым числом электронов, но различным зарядом ядра). Были исследованы спектры довольно высоких кратностей ионизации (например Cu XIX).

Наиболее знаменательное событие произошло в 1942 году, когда осуществил идентификацию ряда линий в спектрах солнечной короны на основе тщательного анализа спектров МИА. Было доказано, что электронная температура короны достигает миллиона градусов, что сильно изменило понимание физики солнца и звезд.

После второй мировой войны начались эксперименты по наблюдению ВУФ излучения солнца за пределами земной атмосферы с помощью аэростатов и ракет (См. Рентгеновская астрономия ). Более интенсивные исследования продолжились с 1960 года с запуском спектрометров на спутниках.

В то же самое время развивается лабораторная спектроскопия МИА как источник данных для диагностики горячей плазмы в термоядерных устройствах ( См. Управляемый термоядерный синтез ), эксперименты на которых начались со стелларатора Спитцера и продолжились на токамаках, Z-пинчах и в лазерной плазме . Исследования на ускорителях ионов стимулировали спектроскопию пучок-фольга как средство для измерения времен жизни возбужденных состояний МИА . Было получено много данных об энергетических уровнях, автоионизационных состояниях и внутриоболочечных возбуждениях.

Наряду с экспериментами создавались теоретические и вычислительные методы получения данных для идентификации новых спектров и интерпретации наблюдаемых интенсивностей спектральных линий . Новые лабораторные и теоретические данные использовались во внеатмосферной спектроскопии . В 1990-2000 гг произошел настоящий бум работ по МИА в США, Англии, Франции, Италии, Израиле, Швеции, СССР и других странах .

Российские исследования спектров МИА

В СССР работы по получению спектров МИА были инициированы С.Л.Мандельштамом в лаборатории спектроскопии ФИАН в 1964 году в связи с потребностью в интерпретации получаемых в космосе коротковолновых спектров Солнца . В лаборатории была создана плазменная установка типа тета-пинч для наблюдения спектров в ВУФ области, и использовалась традиционная вакуумная искра. Были получены спектры ионов серы и кальция. В совместных с лабораторией квантовой радиофизики (КРФ) Н.Г. Басова экспериментах в лазерной плазме на твердых мишенях получены ВУФ спектры ионов элементов, обильных на Солнце . В дальнейшем спектры МИА интенсивно изучались в КРФ в мягкой рентгеновской области .

В ФИАНе также проводились теоретические работы по расчету энергетической структуры, сечений возбуждения и ионизации МИА, а также большой роли диэлектронной рекомбинации в процессах солнечной короны и в лабораторной плазме .

После создания в 1968 году Института спектроскопии (ИСАН) в Троицке под руководством С.Л.Мандельштама изучение спектров МИА в ВУФ области продолжилось, для чего был создан уникальный вакуумный спектрограф с дифракционной решеткой радиусом 6,65 метров и 1200 штрихов на миллиметр, а также модернизирован спектрограф ДФС-26 путем установки решетки 3600 шт/мм радиусом 3 метра. Это позволило начать изучение сложных ВУФ спектров в области 50 - 2000 ангстрем (с заполняющейся 3d электронной оболочкой), продолжившееся в течение более полувека и его сотрудниками. Одновременно развивались теоретические и полуэмпирические методы расчета энергетической структуры МИА, без сочетания с которыми интерпретация наблюдаемых спектров невозможна.

При получении сложных спектров МИА с высоким разрешением, содержащих тысячи спектральных линий большое внимание приходится уделять метрологическому обеспечению обработки спектров, для чего использовались высокоточные автоматизированные компараторы, а в последнее время - сканеры с высоким разрешением. В конце XX века развитие микроканальных приемников привело к прекращению выпуска шумановских фотопластинок фирмами Kodak и Ilford, и пришлось обратиться к вошедшим в биомедицинскую практику эмульсиям с фотостимулируемой люминесценцией (ФСЛ). Это сделали в NIST , и в ИСАНе тоже пришлось перейти к этой практике. Однако, метрологические цели пока не удовлетворяются из-за более низкого, чем у фотопластинок, разрешения.

Для информационного обеспечения в ИСАНе А.Е.Крамидой была создана была создана база по библиографии атомных данных для МИА BIBL , которая продолжает пополняться до настоящего времени в сотрудничестве с NIST.

Изучение спектров МИА, а также связанных процессов в плазме К.Н.Кошелевым с сотрудниками нашли свое практическое применение в создании эффективных источников ВУФ-излучения для литографии и технологических приложений .

Перспективы

Новая страница в спектроскопии МИА открылась в 1986 году с созданием Левином и Маррсом в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса электронно-пучковых ионных ловушек (ЭПИЛ - англ.: ) в результате благоприятного синтеза новейших высоких технологий, таких как криогеника , сверхвысокий вакуум, сверхпроводящие магниты , мощные электронные пучки и полупроводниковые детекторы излучения. Очень быстро ЭПИЛ были созданы во многих странах (см. детальный обзор NIST ). С ЭПИЛ открылось новое широкое поле для спектроскопических исследований, таких как наблюдение спектральных линий высших степеней ионизации (до водородоподобного U 92+ ), измерения длин волн запрещенных переходов и времен жизни соответствующмх уровней, определение сверхтонкой структуры энергетических уровней ионов, сечений ионизации, возбуждения, диэлектронной рекомбинации, перезарядки, наблюдение октупольных распадов, проверка выводов квантовой электродинамики и прочее. (обзоры ).

Примечания

  1. I. Newton, Opticks (London, 1730), 4th ed. (Dover, New York, 1952). Newton, Isaac. Opticks (4th ed. 1730) от 20 сентября 2014 на Wayback Machine
  2. R. Hooke, Micrographia (1665), P. 47. Hooke, Robert (1635-1703). от 2 декабря 2008 на Wayback Machine
  3. C. Huygens, Traité de la lumière, Leyden, 1690. от 24 сентября 2009 на Wayback Machine (English translation, pub. 1912 and again in 1962).
  4. T. Young, Phil. Trans. Roy. Soc. London xcii, 12, 387 (1802); Young's Works, Vol. 1, P. 202 .
  5. J. Fraunhofer, Gilberts Ann. 56, 264 (1817).
  6. W. H. Wollaston, Philos. Trans., 92, 378, (1802).
  7. R. Bunsen and G. Kirchhoff, "Untersuchungen über das Sonnenspektrum und die Spektren der Chemischen Elemente," Abhandl. kgl. Akad. Wiss. Berlin (1861,1863).
  8. H. A. Rowland, Phil. Mag. (5), 13, 469 (1882); Nature 26, 211 (1882).
  9. Schumann's papers are listed in T. Lyman, The Spectroscopy of the Extreme Ultraviolet (Longmans, Green and Company, London, 1928), 2nd ed.
  10. G. D. Liveing and J. Dewar, Proc. Roy. Soc. Lond. 29, 398, (1879).
  11. W. N. Hartley, J. Chem. Soc. Lond. 43, 390, (1883). .
  12. J. J. Balmer, Ann. Physik und Chemie 25, 80 (1885).
  13. J. R. Rydberg. Recherches sur la constitution des spectres d'émission des éléments chimiques. Kgl. Svenska Vetensk.-Akad. Handl., Stockh. 23, No. 11 (1890).
  14. M. Planck, Verhandl. deut. physik. Ges. 2, 202, 237 (1900); Ann. Physik (4), 4, 553 (1901)
  15. Einstein, Albert (1905), " от 11 июня 2009 на Wayback Machine ", Annalen der Physik 17 : 132–148, от 11 июня 2009 на Wayback Machine . This annus mirabilis paper on the photoelectric effect was received by Annalen der Physik 18 March.
  16. T. Lyman, Astrophys. J. 19, 263 (1904); ibid. 23, 181 (1906).
  17. F. Paschen, Ann. d. Physik 27, 537-564 (1908).
  18. W. Ritz. Phys.Z. 9, 521 (1908).
  19. N. Bohr, Phil. Mag. (6), 26, 1, 476, 857 (1913).
  20. B. Edlén, Handbuch der Physik Bd. XXVII, 80-220 (1964).
  21. W. Pauli, Z . Physik, 31 (1925) 765.
  22. W. Heisenberg, Zeitschrift für Physik , 33 , 879-893, 1925.
  23. E. Schrödinger, Phys. Rev. 28 (6), 1049 (1926).
  24. Dirac, P. A. M. (1 February 1928). "The Quantum Theory of the Electron". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character 117 (778): 610–624. .
  25. R. A. MilIikan, Science 50, 138 (1919); Astrophys. J. 52, 47 (1920); Proc. Natl. Acad. Sci. U.S. 7, 289 (1921).
  26. R. A. Millikan and R. A. Sawyer, Phys. Rev. 12, 168 (1918).
  27. R. A. Millikan and I. S. Bowen, Phys. Rev. 23, 1 (1924); Phil. Mag. 48, 259 (1924).
  28. T H. Osgood, Phys. Rev. 30, 567 (1927).
  29. J. B. Hoag, Ap. J. 66, 225 (1927).
  30. A. Dauvillier, J. phys. radium 8, 1 (1927).
  31. A. Ericson and B. Edlén, Z. Phys. 59, 656 (1930).
  32. W. Grotrian, Graphische Darstellung der Spektren von Atomen und Ionen mit ein, zwei und drei Valenzelektronen. (J. Springer, 1928).
  33. H. N. Russel and F. A. Saunders, Ap. J. 61, 38 (1925). - The term nomenclature was outlined in H. N. Russel, A. G. Shenstone, and L. A. Turner, Phys. Rev. 33, 900 (1929).
  34. E. U. Condon and G. H. Shortley, The Theory of Atomic Spectra. Cambridge: Cambridge University Press 1935.
  35. B. Edlén, Z. Astrophys. 20, 30 (1942).
  36. I Martinson and C Jupén 2003 Phys. Scr. 68 C123-132. .
  37. M.H.Key and R.J.Hutcheon, Spectroscopy of Laser-produced Plasmas. Advances in Atomic and Molecular Physics, 16, 201-280 (1980).
  38. E Träbert, Beam–foil spectroscopy—Quo vadis. Phys. Scr. 78 (2008) 038103 (16pp)
  39. B. R. Judd, Atomic Theory and Optical Spectroscopy, in Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths , Vol. 11, 81-195 (Edited by K. A. Gschneidner, Jr. and L. Eyring, 1988)
  40. G. A. Doschek and U. Feldman, The Solar UV-X-ray Spectrum from 1.5 to 2000 Å, J. Phys. B 43 , 232001 (2010)
  41. B.C.Fawcett, Classification of the Spectra of Highly Ionised Atoms During the Last Seven Years, Physica Scripta. Vol. 24,663-680, (1981).
  42. I. Martinson, The spectroscopy of highly ionised atoms, Rep. Prog. Phys. 52, 157 (1989).
  43. Лабораторное воспроизведение участка коротковолнового спектра Солнца. - С.Л.Мандельштам и др. Оптика и спектроскопия, 1965, 18 , 923.
  44. . Дата обращения: 5 сентября 2021. 16 августа 2021 года.
  45. Басов Н.Г., Бойко В.А., Войнов Ю.П., Кононов Э.Я., Мандельштам С.Л., Склизков Г.В. // Письма в ЖЭТФ, 1967,том 5, вып. 6, . Дата обращения: 7 августа 2022. Архивировано 6 августа 2022 года.
  46. Рентгеновская спектроскопия многозарядных ионов / [В. А. Бойко, В. Г. Пальчиков, И. Ю. Скобелев, А. Я. Фаенов] М. : Энергоатомиздат, 1988
  47. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. М.: Наука, 1979 г. 318 с
  48. Applied Optics Vol. 39, Issue 4, pp. 637-641 (2000)
  49. . Дата обращения: 5 сентября 2021. 19 января 2022 года.
  50. . Дата обращения: 5 сентября 2021. 28 августа 2021 года.
  51. . Дата обращения: 5 сентября 2021. 28 августа 2021 года.
  52. P.Beiersdorfer, Spectroscopy with trapped highly charged ions, Phys. Scr. T134 (2009) 014010 (13pp)
  53. J D Gillaspy, Precision spectroscopy of trapped highly charged heavy elements: pushing the limits of theory and experiment, Phys. Scr. 89 (2014) 114004 (11pp).
Источник —

Same as Спектроскопия многократно ионизованных атомов (история достижений)