Многоэлектронные корреляции в атомах с полузаполненными оболочками

В диссертации развивается метод расчета свойств атомов с полузаполненными подоболочками с учетом многоэлектронных корреляций. В рамках развитого метода изучается влияние корреляций на вероятности фотопереходов и на потенциалы ионизации атомов переходных металлов с УТс^-полузаполненной подоболочкой. Ште-рес к таким атомам обусловлен тем, что их сечения фотоионизации, фотоэмиссионные спектры и угловые распределения фотоэлектронов начали экспериментально исследоваться лишь в самое последнее время, а также тем, что в них обнаружены существенные особенности.

Создание источников непрерывного спектра излучения открыло новые возможности в исследовании взаимодействия излучения с веществом, что является одним из основных методов получения информации о свойствах как твердых тел, так и отдельных атомов, для переходных элементов группы железа с заполняющимися Зс|-под-оболочками такие эксперименты проводились до недавнего времени лишь на металлических образцах /1−3/. В последнее время, однако, стали появляться экспериментальные данные и для атомарных паров этих элементов — марганца А-7/| железа, кобальта и никеля /8 -9/, а также хрома /6,10/. Как для металлических образцов, так и для атомарных паров экспериментально были изучены спектры фотопоглощения. Главная их особенность заключается в наличии мощных широких асимметричных максимумов в области зр-порога ионизации. В качестве примера на рис. В изображены спектры фотопоглощения металлического и атомарного марганца. № этого рисунка, в частности, видно, что оба спектра весьма похожи, следовательно, фотопоглощение металлического образца обусловлено в основном свойствами, присущими изолированному атому. Однако причины, приворис .Б Экспериментальное сечение фотопоглощения (в относительных единицах) атомарного /5/ (сплошная линия) и металлического /I/ (пунктирная линия) марганца в области Зр-порога ионизации дящие к существованию в атомарном спектре фотопоглощения мощного максимума в области энергий фотона 00⁴⁷ — 55 эв} не имеют простого объяснения, действительно, можно предположить, что этот максимум связан с проявлением особенностей поля, в котором движется ионизуемый электрон, что приводит к появлению так называемого «резонанса формы» в сечении фотоионизации атома за его порогом ионизации /II/, Однако обнаруженный в спектре атомарного марганца максимум лежит до порога ионизации Зр^подоболочки (1зр⁵⁵ эВ /1/), а потому ее ионизация не ответственна за формирование данного максимума, в то же время, обсуждаемый мака 5 симум расположен далеко за порогами ионизации внешних 4 Б и 3с1 подоболочек (1^ = 14"3 эв /7/), а потому вряд ли может быть объяснен как проявление «резонанса формы» в сечениях фотоионизации этих подоболочек, так как в столь далекой запороговой области энергий «резонанс формы», вероятно, невозможен. Типичной для этого случая ситуацией является монотонное убывание сечения фотоионизации с ростом энергии фотона. Обнаруженный максимум можно рассматривать как автоионизационный резонанс в сечении фотоионизации, на что указывает его асимметричная форма, типичная для резонансов этой природы. Такое предположение было высказано экспериментаторами первоначально в работе / ц/9 Однако ширина максимума эв) более, чем на порядок превышает обычные для атомной физики значения автоионизационных ширин (~0,01 -0,1 эв /II/), что требует специального доказательства автоионизационной природы максимума.

Таким образом, новый для атомной физики объект экспериментального исследования — изолированный атом зАпереходного металла, близость атомарного и металлического спектров фотопоглощения, причудливое поведение сечения фотопоглощения с мощным широким асимметричным максимумом в области зр-порога ионизации стимулируют выполнение теоретических работ по изучению свойств этих атомов. Вследствие наличия в них многоэлектронных Зс (-под-оболочек следует заведомо ожидать существенной роли многоэлектронных корреляций, которые есть проявляние части межэлектронного взаимодействия в атоме, пренебрегаемой в лучшем одноэлектрон-ном приближении — в методе хартри-Фока. настоящая диссертация и посвящена теоретическому изучению свойств изолированных атомов У1&- -переходных металлов с учетом корреляций.

Наиболее хорошо зарекомендовавшим себя методом, позволяющим эффективно учесть корреляции атомных электронов, в настоящее время является так называемое приближение случайных фаз с обменом (ПСФО) /12,13/, основанное на математическом аппарате теории многих тел. поэтому в диссертации в качестве метода расчета выбрано именно это приближение. Однако прямое приложение метода ПСФО, как и в целом всего математического аппарата теории многих тел к атомам с незаполненными оболочками затруднительно вследствие вырожденности основного состояния этих атомов. Имеются некоторые обобщения метода ПСФО на произвольные атомы с незаполненными оболочками /14−16/* Однако они очень громоздки, а потому трудно применимы на практике, кроме того, выполненные на их основе расчеты сечений фотоионизации атома хлора привели к различным результатам /14−16/*.

В настоящей диссертации проводится обобщение метода ПСФО на атомы с полузаполненными подоболочками. для этих атомов оказалось возможным провести обобщение метода ПСФО физически нагляднее и значительно проще, чем в /14−16/, что позволяет на основе данного метода рассмотреть еще свыше двадцати атомов из Периодической системы.

Поясним физические причины, позволившие нам выполнить простое обобщение метода ПСФО.

В методе ПСФО в качестве нулевого приближения используется метод хартри-Фока /12,13/. Для атомов с открытыми оболочками существуют различные модификации хартри-фоковского формализма, наиболее удобным для обобщения метода ПСФО на атомы с полузаполненными подоболочками оказалось так называемое спин-поляризован-ное приближение хартри-Фока (СПХФ) /17−19/. Идея, положенная в его основу, заключается в следующем, согласно эмпирическому правилу хунда в основном состоянии атома спины всех электронов в полузаполненной подоболочке направлены одинаково, для определенности — вверх. Будем в дальнейшем называть электроны с таким направлением спина «вверх-электронами», в отличие от противоположного случая — «вниз-электронов». Из общей формулировки метода самосогласованного поля хартри-Фока /19/ следует, что обменное взаимодействие электронов зависит от относительной ориентации их спинов. Поэтому вверхи внизэлектронам атома соответствуют различные уровни энергий вследствие различия в обменном взаимодействии этих электронов с вверх-электронами в полузаполненной подоболочке. это, в свою очередь, приводит к расщеплению всех остальных заполненных уровней в атоме на два подуровня с различными проекциями спинов, но с одинаковыми значениями главного К1 и орбитального ^ квантовых чисел («вверх11- и „вниз“ -подуровни соответственно), такое обменное расщепление уровней значительно превышает спин-орбитальное расщепление и, кроме того, имеет место также для уровней с = 0. Так, например, в марганце обменное расщепление зр-уровня превышает 13 эв /18/, в то время, как спин-орбитальное расщепление составляет по оценкам всего 1,4 эВ /20/. В свою очередь, обменное расщепление 3£-уровня оказывается равным примерно п эВ /18Д Следовательно, спин-орбитальным, а тем более спин-спиновым взаимодействиями в атомах с полузаполненными подоболочками можно пренебречь в сравнении с обменным» Так как кулоновское взаимодействие между электронами не зависит от их спинов, то вверхи вниз-подуровни в атоме не будут смешиваться" Каждый из последних поэтому можно рассматривать как заполненный подуровень, что и позволяет применить математический аппарат теории многих тел к атомам с полузаполненными подоболочками и провести на его основе обобщение метода ПСФО" развитый в диссертации вариант метода ПСФО назван спин-поляризованным приближением случайных фаз с обменом (СП ПСФО), которое и применяется в дальнейшем для изучения влияния многоэлектронных корреляций на сечения фотопоглощения, угловые распределения фотоэлектронов и на потенциалы ионизации подуровней в атомах с полузаполненными подоболочками" диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 80 наименований и содержит 38 рисунков и 5 таблиц".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертации развито спин-поляризованное приближение случайных Фаз с обменом для расчета вероятностей фотопереходов и потенциалов ионизации подуровней в атомах с полузаполненными оболочками с учетом многоэлектронных корреляций. Применение этого приближения к расчету сечений фотоионизации атомов хрома и марганца, к угловому распределению Зо (^-фотоэлектронов, к расчету потенциалов ионизации внутренних, промежуточных и внешних подуровней атома марганца, а также сравнение результатов расчета с экспериментом позволяют сделать заключение о применимости развитого метода к изучению свойств атомов с полузаполненными оболочками, на его основе дана теоретически обоснованная и подтвержденная расчетом интерпретации мощных широких асимметричных максимумов, экспериментально обнаруженных в сечениях фотоионизации атомов хрома и марганца, как следует из полученных в диссертации результатов, эти максимумы имеют автоионизационную природу и являются отражением особенностей в взаимодействии дискретного Зр^ - 30^ и сплошного зд^ - спектров. Также в /35/ нами была дана аналогичная интерпретация обнаруженного экспериментально мощного резонанса в спектре фотопоглощения атомарного европия с 4 {^{-полузаполненной} подоболоч.

1 А кой как автоионизационного 4а — -резонанса, а в настоящей работе теоретически обнаружен такой же природырезонанс еще и в атомарном технеции, все это указывает на сильную связь электронов из полузаполненных подуровней с электронами из более глубоких подуровней, что является специфичной особенностью атомов переходных металлов с иподоболочками.

В диссертации были приведены результаты выполненных нами обширных расчетов свойств атомов с полузаполненными оболочками по отношению к их взаимодействию с внешним ионизующим электромагнитным излучением, в этих атомах обнаружена самая существенная роль корреляций, которые оказывают сильное влияние на формирование сечений фотоионизации, угловых распределений фотоэлектронов с учетом и без учета импульса фотона, а также и на токи увлечения в атомарном газе. Оказалось, что корреляции не только существенно изменяли количественные значения этих характеристик атомов, но нередко меняли и их качественный характер. Как следует из проведенных в работе исследований все особенности проявления корреляций в рассмотренных атомах непосредственно связаны с наличием в них полузаполненной подоболочки. действительно, именно из-за наличия этой подоболочки возможны электронные переходы в нее из более глубоких подоболочек, происходящие без изменения главного квантового числа, а потому протекающие с заметной вероятностью и существенно влияющие на свойства атомовименно наличие полузаполненной подоболочки вызывает расщепление остальных заполненных уровней в атоме на большее число подуровней, что дополнительно усиливает роль корреляций в этих атомах. полученные результаты указывают на ограниченность одно-электронных методов расчета в применении к атомам с полузаполненными оболочками.

Остановимся на возможном практическом применении полученных в работе результатов. развитый в диссертации метод в настоящее время уже апробирован на атомах с зо^и 4полузаполненными подоболочками, что позволило хорошо описать экспериментальные данные. Однако он в равной мере может быть применен и к другим атомам с полузаполненными оболочками, а потому на его основе можно исследовать с учетом корреляций свойства еще более двадцати атомов из Периодической системы, эти данные могут найти применение при выполнении прикладных и фундаментальных исследований в астрофизике, в связи с этим обратим внимание на отмечающееся в литературе обилие марганца в фотосфере Солнца /80/. полученные результаты могут найти применение и в области спектрального анализа вещества, так как спектры фотопоглощения и потенциалы ионизации атома обладают индивидуальными чертами, позволяющими идентифицировать наличие данного атома в веществе, а потому эти характеристики необходимо уметь рассчитывать с высокой степенью точности, кроме того, в последнее время становится все более очевидным, что спектры фотопоглощения металлических образцов не могут быть поняты и объяснены без знания атомарных спектров фотопоглощения. Сравнение же между собой обоих этих спектров позволит получить дополнительную информацию о свойствах твердого тела. Также отметим, что рассмотренные нами в работе атомы хрома, марганца и технеция находят широкое применение в промышленности и технике, они входят в качестве добавок в различные соединения и сплавы, заметно меняя их свойства, а потому важно знать и понимать структуру и свойства самих этих атомов, полученные в работе результаты могут быть использованы и в других областях науки и техники, где данные о структуре атомов и их взаимодействии с внешними полями используются как исходные, что же касается выполненных нами исследований по изучению недипольной части углового распределения фотоэлектронов и токов увлечения в атомарных газах, то полученные результаты могут быть применены для дополнительных исследований структуры атомов, для изучения времени релаксации электронов в газе и, следовательно, для изучения сечений упругого рассеяния электронов атомом, а также для измерения амплитуды квадрупольных переходов электронов из связанного состояния в сплошной спектр при низких энергиях фотона, что сделать другим способом трудно,.

В заключение автор пользуется случаем выразить глубокую признательность своему научному руководителю М. Я. Амусья за многочисленные обсуждения и постановку практически всех задач, рассмотренных в диссертации, настоящая работа не могла бы появиться без критических замечаний, консультаций и практической помощи со стороны Иванова В. К", с которым автор был тесно связан на протяжении всей работы над диссертацией и которому глубоко благодарен. Автор считает своим приятным. долгом поблагодарить Ку~ чиева М.Ю., Черепкова H.A., Шефтеля с. И* и Балтенкова A.C. за весьма полезные дискуссии в процессе выполнения настоящей работы и при обсуждении ее результатов, а также выразить искреннюю признательность Чернышевой JI.B. за предоставленную возможность воспользоваться составленными ею программами для ЭВМ" Наконец, автор испытывает особую признательность рискиеву Т.Т. за его практическую поддержку, внимание и заботу за все время работы над данной темой диссертации в его лаборатории.