Спектроскопия многократно ионизованных атомов (история достижений) (Vhytmjkvtkhnx bukiktjgmuk nkun[kfguud] gmkbkf (nvmkjnx ;kvmn'yunw))

Перейти к навигации Перейти к поиску

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 (EBIT)). Самые низковозбужденные электронные оболочки МИА обычно распадаются в стабильные основные состояния с испусканием фотонов в вакуумном ультрафиолете и мягкой рентгеновской области спектра (так называемые резонансные переходы).

Познание природы света

[править | править код]

После открытия Ньютоном[1] спектральной структуры белого света (17е столетие) и последующих исследований структуры света (Гук[2], Гюйгенс[3], Юнг[4]) Фраунгофер[5] провел наблюдения и измерения длин волн темных линий в спектре Солнца (они носят теперь его имя, хотя некоторые из них наблюдал ранее Волластон[6]). Видимо, это можно назвать первыми фундаментальными исследованиями в спектроскопии.

Позднее Бунзен и Кирхгоф[7] 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

[править | править код]

В 19-м столетии появились новые технологии, такие как фотография, изобретение Роуландом[8] вогнутой дифракционной решетки, а также работы Шумана[9] 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[10] открыли серии в спектре натрия, Хартли[11] нашел, что в волновых числах имеются постоянные разности, Бальмер[12] нашел соотношения, связывающие длины волн в видимом спектре водорода и, наконец, Ридберг[13][13] вывел формулу для волновых чисел спектральных серий.

Квантовая физика

[править | править код]

В первом десятилетии 20-го столетия возникли основы квантовой теории (Планк[14], Эйнштейн[15]), а также интерпретации спектральных серий водорода в вакуумном ультрафиолете Лайманом[16] и в инфракрасной области спектра Пашеном[17]. Ритц[18] сформулировал свой комбинационный принцип.

В 1913 году Бор[19] создал свою квантовомеханическую модель атома. Это стимулировало эмпирический анализ энергетической структуры (термов) атомов (см. ссылки[20] стр. 83).

В 1920-30 годах Паули[21], Гейзенберг[22], Шредингер[23] и Дирак[24] 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

[править | править код]

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

Милликен[25], Сойер[26] и Боуэн[27] 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[28] и Хоуг[29] сообщили о создании спектрографов с вогнутой дифракционной решеткой в скользящем падении и сфотографировали линии до 4,4 нм (Kα углерода). Довилье[30] 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 Зигбан сконструировал очень совершенный спектрограф скользящего падения, позволивший Эриксону и Эдлену[31] получить спектры вакуумной искры высокого качества и надежно идентифицировать линии МИА вплоть до O VI, пятикратно ионизованного кислорода. Гротриан[32] разработал графическое представление энергетической структуры атомов (диаграммы Гротриана). Рассел и Соундерс[33] 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 Кондоном и Шортли[34] в 1935 году.

Наблюдения и идентификации спектров МИА

[править | править код]

Эдлен 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 Эдлен[35] 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[36][37]. Исследования на ускорителях ионов стимулировали спектроскопию пучок-фольга как средство для измерения времен жизни возбужденных состояний МИА[38]. 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[39]. Новые лабораторные и теоретические данные использовались во внеатмосферной спектроскопии[40]. В 1990-2000 гг произошел настоящий бум работ по МИА в США, Англии, Франции, Италии, Израиле, Швеции, СССР и других странах[41][42].

Российские исследования спектров МИА

[править | править код]

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[43][44]. 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[45]. В дальнейшем спектры МИА интенсивно изучались в КРФ в мягкой рентгеновской области[46].

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[47].

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 А.Н.Рябцевым 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[48], 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[49], 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[50].

Перспективы

[править | править код]

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.: EBIT) 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[51]). С ЭПИЛ открылось новое широкое поле для спектроскопических исследований, таких как наблюдение спектральных линий высших степеней ионизации (до водородоподобного U92+), 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[52][53]).

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ I. Newton, Opticks (London, 1730), 4th ed. (Dover, New York, 1952). Newton, Isaac. Opticks (4th ed. 1730) online edition Архивная копия от 20 сентября 2014 на Wayback Machine
  2. ↑ R. Hooke, Micrographia (1665), P. 47. Hooke, Robert (1635-1703). Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon... Архивная копия от 2 декабря 2008 на Wayback Machine
  3. ↑ C. Huygens, Traité de la lumière, Leyden, 1690. Traite de la lumiaere Архивная копия 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). doi: 10.1039/CT8834300390.
  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), "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light Архивная копия от 11 июня 2009 на Wayback Machine", Annalen der Physik 17: 132–148, http://lorentz.phl.jhu.edu/AnnusMirabilis/AeReserveArticles/eins_lq.pdf Архивная копия 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. doi:10.1098/rspa.1928.
  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. doi: 10.1238/Physica.Regular.068ac0123.
  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. ↑ Космические эксперименты ФИАН. Дата обращения: 5 сентября 2021. Архивировано 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, http://www.jetpletters.ruНеобходимо задать параметр title= в шаблоне {{cite web}}. [1]. 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) https://doi.org/10.1364/AO.39.000637
  49. ↑ The BIBL atomic spectral data bibliography database. Дата обращения: 5 сентября 2021. Архивировано 19 января 2022 года.
  50. ↑ Плазменные источники экстремального ультрафиолетового излучения для литографии и сопутствующих технологических процессов (к 50-летию Института спектроскопии РАН). Дата обращения: 5 сентября 2021. Архивировано 28 августа 2021 года.
  51. ↑ обзор NIST. Дата обращения: 5 сентября 2021. Архивировано 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 — https://ru.wikipedia.org/wiki/Спектроскопия_многократно_ионизованных_атомов_(история_достижений)