Модельные подходы в исследованиях неупругих процессов при медленных атомных столкновениях

• Автор: Яковлева, Светлана Анатольевна
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 96 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Теория неупругих процессов, происходящих при медленных атомных столкновениях
§1.1 Формализм стандартного адиабатического подхода
§ 1.2 Теория возмущений
§ 1.3 Многоканальная модель Ландау-Зинера
Глава 2. Модельный многоканальный подход
§ 2.1 Вводные замечания
§ 2.2 Модельный подход
§ 2.3 Применение модельного многоканального подхода для столкновений магния и водорода
Глава 3. Неупругие процессы, происходящие при столкновениях кремния с водородом и гелием
§ 3.1 Вводные замечания
§ 3.2 Столкновения атомов и ионов кремния и водорода
§ 3.3 Столкновения атомов кремния с положительными ионами гелия
Глава 4. Холодные и ультрахолодные столкновения атомов рубидия с положительными ионами кальция и иттербия
§ 4.1 Вводные замечания
§ 4.2 Холодные и ультрахолодные столкновения положительных ионов
кальция с атомами рубидия
§ 4.3 Холодные столкновения положительных ионов иттербия с атомами рубидия
Заключение
Литература

Введение
Неупругие процессы, происходящие при столкновениях атомов, ионов, молекул, определяют отклонения газовых и плазменных сред от локального термодинамического равновесия и, следовательно, свойства газовых и плазменных сред [1-4]. Типичными примерами являются атмосфера Земли, фотосферы звезд, рабочие среды газовых и плазменных лазеров, различные низкотемпературные плазмы и т.д. В связи с этим существует постоянная, все увеличивающаяся потребность в определении большого числа атомных и молекулярных данных о неупругих процессах, происходящих при столкновениях различных атомов, ионов и молекул [5].
При столкновениях атомов и ионов могут происходить различные элементарные процессы, такие как возбуждение, девозбуждение, образование ионной пары, взаимная нейтрализация, перезарядка. Чтобы определить насколько важен тот или иной процесс для определения свойств среды, необходимо знать характеристики процессов, такие как сечение процесса и константа скорости, которые в большинстве случаев могут быть получены только с помощью теоретических расчетов. В принципе, атомные и молекулярные данные могут быть получены как экспериментальными путями, так и теоретическими. Однако экспериментальные данные, особенно для процессов столкновения нейтральных частиц и для столкновений при низких энергиях, практически отсутствуют, что связано с трудностями создания и регистрации нейтральных и низкоэнергетических пучков. В связи с этим теоретические методы являются практически единственным источником получения информации об атомных и молекулярных данных для неупругих процессов столкновений.
Наиболее широко используемым подходом при теоретических исследованиях атомно-молекулярных систем является стандартный адиабатический подход Борна-Оппенгеймера, в основе которого лежит идея [6] о разделении электронного н ядерного движений, базирующаяся на малом отношении массы электрона к массе ядра. Исследование неупругих процессов, происходящих про столкновениях, таким образом, разделяется на два этапа: 1) определение электронной структуры (адиабатических потенциальных энергий и

матричных элементов неадиабатических взаимодействий) при фиксированных положениях ядер и 2) исследование неадиабатической ядерной динамики, результатами чего являются вероятности неадиабатических переходов, сечения и константы скоростей.
Теоретические исследования в рамках подхода Борна-Оппенгеймера в настоящее время проводятся по двум основным направлениям:
1. Строгие квантовые расчеты, включающие вариационные расчеты квантово-химических данных и решение системы связанных уравнений при исследовании неадиабатической ядерной динамики.
2. Модельные подходы, базирующиеся на некоторых приближениях.
Для выделения наиболее значимых физических процессов необходимо получить оценки сечений различных элементарных процессов, количество которых в ряде случаев очень велико. Строгие квантово-химические расчеты в таких случаях очень трудоемки или совсем недоступны, тогда используются различные модельные и смешанные подходы.
В теории атомных столкновений широкое распространение получили такие модели неадиабатических переходов, как модель Ландау-Зинера [7-9], модель Демкова [10] и модель Никитина [11]. Модели неадиабатических переходов позволяют определить механизмы элементарных процессов, а также получить количественные оценки характеристик процессов, в связи с чем указанные модели интенсивно применяются в теоретических исследованиях как атомных, так и молекулярных столкновений.
Необходимо отметить следующий важный аспект. Для многих практических приложений необходимо знание большого числа сечений и констант скоростей процессов столкновений одних и тех же атомов и/или ионов, а именно, количество парциальных процессов, представляющих интерес, исчисляется тысячами и миллионами [5]. При этом важны сечения для большого числа переходов между возбужденными электронными состояниями, вплоть до каналов образования ионной пары. Особенно важны при этом процессы перезарядки (образования ионной пары и взаимной нейтрализации). В таких случаях проведение точных квантовых расчетов становится нереальным, и необходимо использовать более приближенные, но физически надеж-

о 1015 <и

■ 2 -> 3 ► 4 ->
• 2-> 4 ★ 4 ->
▲ 2 -> 5 4 ->
▼ 2-> 6 • 4 -> і
♦ 2-> 7 ▲ 5 ->
А 2 -> 8 ▼ 5 ->
► 2-> і ♦ 5 ->
3 -> 4 ■4 5 -> і
■ 3 -> 5 ► 6 ->
• 3 -> 6 ★ 6 ->
▲ 3 -> 7 ■ 6 -> і
▼ 3 -> 8 <1 1 V
♦ 3 -> і А 7 -> і
4 -> 5 ▼ 8 -> і
|М| І ІТІІІІЦ----------Г—Г-ГТТТП]----1—I I I I I М|

■І Г-ГІЩ|

I ПЧ| 1—гтт
10'15 ю'

ТТТТТ]---1—Г І І ІІІЦ----г
10 й ю
ТПТ]---------1—I I I IIII

Квантовые данные для константы скорости (см /с)
Рис. 5. Сравнение констант скоростей процессов возбуждения и образования ионной пары, происходящих при столкновениях + Н при температуре Т -= 6000 К, рассчитанных в рамках модельного подхода и квантовым методом [55].