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