• Nie Znaleziono Wyników

PRZE3ŚCIA ZWIĄZANO-SWOBODNE

W dokumencie Postępy Astronomii nr 1/1984 (Stron 77-82)

Rozważmy atom w stanie początkowym opisanym funkcję falowę y . Wskutek zderzenia atomu z fotonem, jeden z elektronów przechodzi do obszaru energii dodatnich. Stan końcowy opisujemy funkcję falo­ wą y f . Kwantowy wzór na fotojonizacyjny przekrój czynny ma postać:

• w - <«>

Oznaczenia sę takie jak we wzorze (3). Sumowanie odbywa się po sta­ nach układu: początkowym i końcowym. Podobnie jak w przypadku prze­ kroju czynnego dla przejść związano-związanych, musimy wyznaczyć funkcje falowe ^ . i \)r j. Obie są rozwiązaniami równania Schrodin- gera (cz. I, równanie (

2

)), gdzie:

N+l / o , v N+l

"■ 2 (-feV ■

i-1 \ i 1

7 *

r /

2 7

j»i + l ij

(=)

jest hamiltonianem układu.

Dane eksperymentalne dla przejść fotojonizacyjnych są sporady­ czne. Również dla niewielu atomów i jonów oraz dla niewielu przejść udało się zastosować zaawansowane metody mechaniki kwantowej. Naj­ częściej stosowanymi metodami są przybliżenie Coulomba oraz meto­ dy półempiryczne.

2.1. Przybliżenie pojedynczej cząstki (single-particle approximation)

W przybliżeniu tym zakładamy, że foton jest absorbowany przez jeden elektron znajdujący się na powłoce nl. Wskutek zderzenia z fotonem elektron ten staje się elektronem swobodnym. Sprzężenie aktywnego elektronu z pozostałymi elektronami jest pominięte.

Za-68 E. Szuszkiewicz

tem proces fotojonizacji redukuje się do prostego problemu jedno- elektronowego. W takim przypadku ruch aktywnego elektronu, zarów­ no przed jak i po fotojonizacji, może być reprezentowany przez ra­ dialne równanie Schródingera zawierające modelowy potencjał v(r) spełniający warunki brzegowe:

v (r ) r ~ 0 ^ T ' V (r ) r ^ o o ^ T ^ • (6 ) gdzie Z, N są odpowiednio ładunkiem jądra i liczbą elektronów.

Całkowite zaniedbanie oddziaływania elektron-elektron nie po­ zwala na określenie przekroju czynnego dla małych energii, tzn. w pobliżu granicy jonizacyjnej. Dla dużych energii przybliżenie to staje się dobre, gdyż wtedy można zaniedbać odchylenie pola pows­ tałego jonu od postaci asymptotycznej przedstawionej wyrażeniem

(6). Wtedy Y f je8t zwykłą falą kulombowską, tzn. rozwiązaniem równania Schrodingera z potencjałem kulombowskim. Przybliżenie to często nazywamy przybliżeniem Coulomba.

Konkretną realizacją przybliżenia pojedynczej cząstki jest przybliżenie wodorowe (h a). Rozważmy jonizację wodoru lub jonu wo- doropodobnego wywołaną fotonem o energii ht>. Stan początkowy wodo­ ru opisany jest główną liczbą kwantową n i orbitalną liczbą kwan- tową 1. Elektron aktywny ma energię k (Ryd) spełniającą prawo za­ chowania :

hV» (4 + k2) V

n

gdzie Z jest efektywnym ładunkiem jądra, określonym wyrażeniem:

Z 2 - Z 2 ff - n2E± (Ryd),

energią poziomu, a 1^ potencjałem jonizacji wodoru.

Przekrój czynny dla wodoru i jonu wodoropodobnego można napi­ sać w postaci:

( 4*c ca * \ n Z V W q /

- (— r - J ?

8(0. 1. k, 1'), (8)

Atomy wieloelektronowe 69

natomiast g(n, 1, k, 1') m - ~ ■ P nl<r ) r Fk l (r )<lr. P nl i Fkl s< 0

funkcjami falowymi Coulomba, oc- jest stałą struktury subtelnej,

aQ - promieniem pierwszej orbity Bohra. Wartości 9 (n, 1, k, 1')

są stablicowane w pracy B u r g e s s a (1964). Przekrój czynny na fotojonizację wodoru czasami wyraża się za pomocą sił oscylato­ rów dla procesów zwięzano-swobodnych f(k, n) lub czynników Gaunta- -Kramersa, mianowicie:

« -.(k2 ) » 4 3 T 2o o a 2 df n-l ,

nl ' ° d(k2 )

(9)

Czynniki Gaunta dla wodoru i jonów wodoropodobnych nie różnią się od jedności o więcej niż 10-20% dla małych energii.

Często.jako przybliżenia wodorowego używa się formuły:

2 6 ___ 4

32 TT 8 R Z rr pa Z

~T~TT72~

3 3

5 a 2 *015 X 10

~ f ~ T

(c m {1°'

v (27) ' c h V n iT n5

2.2. Metoda defektu kwantowego

Szeroko stosowaną metodę półempiryczną jest metoda defektu kwantowego (QDM). Metoda ta w odróżnieniu od przybliżenia wodoro­ wego pozwala na wyliczenie przekroju czynnego w pobliżu energii progowej. Gest to metoda półempiryczna, gdyż wykorzystuje empiry­ czne wartości energii poziomów układu atomowego. Wychodząc z rów­ nania (4), B u r g e s s i S e a t o n (i960) wyprowadzili ogólny wzór na fotojonizacyjne przekroje czynne. Wykorzystali oni następującą postać funkcji falowej dla kontinuum:

' M O (F i(k r )cos ♦ U “ e- 0 t r )2l+1 G 1 (kr)sin & 1

(

11

)

70 E. Szuszkiewicz

gdzie F^(kr)i G^(kr) sę funkcjami C o u l o m b a , e“

00

r jest czynni­ kiem powodującym zerowanie się -vjr f (r*) w nieskończoności, <T], Jest przesunięciem fazowym.

Oeśli energie stanów związanych En^ atomu są znane dokładnie, wtedy można je wyrazić w postaci:

E

(z - (12)

nl 1>2

gdzie nl jest defektem kwantowym. Wielkość jest wolnozmien-nę funkcję energii. S e a t o n (1958) pokazał, że przesunięcie fazowe 3'1 (0) można znaleźć jako granicę OT

^

nl przy n -»• oo , tzn.:

f l(°) ” ^ n l * (l3>

2

Natomiast o ^(k ) znajdujemy z równania:

ct9 $ i(k ) . v

--- - ctg

«n

x (k ).

1 6

gdzie (U^Ck ) jest defektem kwantowym ekstrapolowanym na obszar energii dodatnich, zaś j ł = - 2 ( Z - N ) . Funkcje falowe stanu zwią­ zanego ^ użyte w tej metodzie sę zdefiniowane w podobny sposób w postaci znanych defektów kwantowych stanu początkowego.

P e a c h (l967) pokazał, że wyniki B u r g e s s a i S e ­ a t o n a trochę się różnią w obszarze, gdzie fazy <f^ liczone były z równania (14), a nie bezpośrednio z numerycznego całkowa­ nia funkcji w równaniu (4). Poprawił więc wartości funkcji F^ i G-^ używane przez B u r g e s s a i S e a t o n a . Ulepszona metoda pozwala zadowalająco oszacować przekroje czynne z wyżej wzbudzonych stanów atomu. Wzór uzyskany przez P e a c h e ' a ma

p ostać:

( 1 * e'(n*)2 )-3 X

X £ Cj»[G(n# l, £ /1

'

)cosor(n* + ( e') + l'ol+l

Atomy wieloelektronowe 71 8a.a 2 1Q „

gdzie: — j * - - 5.44909 X io_J-y cm ,

z - oznacza efektywny ładunek powstałego jonu (z » Z-N+l), n* - efektywnę liczbę kwantowę (n* = z/"j/rf ^ ) ,

Inl “ PotencJa* jonizacji w rydbergach,

t - energię zredukowaną swobodnego elektronu ( e'=* 6 / z 2 ),

£ - energię w rydbergach,

p i ' ( t f ) - ekstrapolowany defekt kwantowy,

5 (n» .1) = ( l + — — 5 ^ r - V 5 V (n *) a e J

Dla dużych n* dobrym przybliżeniem jest £ (n*, 1) = 1. Wa r t o ś ­ ci funkcji G i X podane sę w pracy P e a c h e ’ a (1967). Ws pó ł­ czynniki C,, sę określone przy założeniu sprzężenia LS. Zostały

-r

one uzyskane przez wycałkowanie funkcji falowych po spinowych i kątowych współrzędnych. Zależę one od liczb kwantowych stanu po­ czątkowego i końcowego.

W praktycznych zastosowaniach najważniejsze sę następujące przypadki:

a) Dla przejść S ^ ^ n l S L — ► S ^ ^ E l ' S ' L ' (e jest energię swobod­ nego elektronu) współczynniki C , , maję postać:

1 2

C 1 . = (2 L ’ + 1 / {l* 1' l1 } 1max * (1 6 ) L'

gdzie: 1 L S sę liczbami kwantowymi atomu,

1 ’ L' S' - liczbami kwantowymi całego układu (jon + elekt­ ron)

1^ S^ to liczby kwantowe jonu, lmax = max(l, 1 ’J, I 1 L L lj

l L * 1' 1 J to symbole .,6j*

Reguły wyboru dopuszczają następujęce wartości liczb kwanto­ wych: S' = S, L' ■ L, L + l , l ' a l + 1 .

b) Dla przejść l^^SL-*- 1N_1 f jSjLjEl* współczynniki C-^, li­ czymy następująco:

i rSL 2 J i L Li l 2

cl' " " Z l ' W l

(2L'*1)\c

i i j l„ax- <17)

li

72 E. Szuszkiewicz

Gdy many jeden elektron poza wypełnioną powłokę wówczas:

(18) Dla niektórych przypadków współczynniki (fractional paren­ tage coefficients) są podane w pracy B u r g e s s a i S e a ­ t o n a (i960) oraz B a t e s a (l946). W większości przypad­ ków metoda QDM daje dobrą zgodność. Duże odchylenia występuję wt e­

dy* gdy całka radialna jest czuła na małe zmiany w funkcji falo­ wej. Jakościowy opis tej czułości jest dany poprzez wartość cos $ występującą we wzorze (l5), tzn.:

cos <$ =■ cos ar (n* + <u / ( f ^ + fj (n* 1 ,e'l' )).

Z charakteru funkcji cosinus wynika, że czułość całki radialnej na zmiany w funkcji falowej będzie największa, gdy cos $ jest bli­ ski zeru.

Zależność defektu kwantowego od energii uzyskana z obserwowa­ nych poziomów energetycznych jest ekstrapolowana ne obszar ener­ gii dodatnich. Wskutek braku znajomości dokładnych funkcji falo­ wych oraz faktu, że prosta teoria nie jest słuszna dla dużych energii dodatnich, obszar na który możemy ekstrapolować ^ijest ograniczony.

Metodę QDM można stosować tylko dla poziomów, dla których jest nieujemne. Ponadto metoda ta nie jest dobra dla przypadku jo­ nizacji połączonej ze wzbudzeniem, tzn. w przypadku dużych ener­ gii elektronu aktywnego. Przy dużych energiach elektronu aktywne­ go asymptotyczna postać funkcji falowej (ll) wyraża się poprzez macierz rozproszeń S, której pozadiagonalne elementy określają prawdopodobieństwo przejścia między stanami jonu. Znalezienie ma­ cierzy S wymaga uwzględnienia wszystkich poziomów energetycznych, łącznie z rozważeniem poziomów odpowiadających wzbudzeniom dwóch lub większej* liczby elektronów. W wielu wypadkach dla fotojoniza- cji połączonej ze wzbudzeniem powstającego jonu stosujemy przybli­ żenie wodorowe, omówione w podrozdz. 2.1.

W dokumencie Postępy Astronomii nr 1/1984 (Stron 77-82)

Powiązane dokumenty