[科普中國]-自電離

定義

自電離是任何光譜學不可分割的方面，它涉及原子從分立激發(fā)態(tài)到一個連續(xù)態(tài)的自發(fā)躍遷。自電離的概念是首先由申思通引進的。只要在電離極限以上存在連續(xù)能級和分支能級，就可以觀察到自電離。

自電離過程自電離過程發(fā)生在散射過程中，當激發(fā)兩個或多個電子時，使得分立能級可以高于第一電離限，其能級可以與具有相同宇稱和總角動量的連續(xù)態(tài)相互作用，從而使得能級加寬，使得電子無輻射躍遷到連續(xù)態(tài)而發(fā)生自電離。圖給出了處于分立態(tài)和連續(xù)態(tài)的原子的多電子激發(fā)能級以及自電離過程示意圖。

自電離包括兩個能級系統(tǒng)的重疊：分立能級與連續(xù)能級的重疊。在電離極限以上的任何能級都是短壽命的（10秒），因為它的壽命主要取決于電離過程（非輻射躍遷）。因此相應的譜線很漫或者光譜完全不存在。非輻射躍遷幾率越大，譜線越寬。當能級的分布適合時，未必發(fā)生自電離；它的發(fā)生取決于嚴格的選擇定則。1

研究原子(離子)自電離態(tài)的意義（1）自電離態(tài)對研究原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和粒子間相互作用的微觀動力學過具有重要的意義。

（2）在等離子體物理研究中自電離過程是等離子體中雙電子復合過程的逆過程，因此自電離過程對于等離子體物理的研究具有重要的意義和價值。

（3）在激光器的研究中，對于無粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光器，自電離過程是重要的候選機制之一，因此自電離過程對新型激光器的研究開發(fā)具有重要的價值。

（4）自電離的數(shù)據(jù)在激光分離同位素技術(shù)和受控核聚變技術(shù)具有重要的應用價值。

散射過程和自電離高能粒子與原子的碰撞過程中高能粒子運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的過程稱為散射過程。在散射過程中如果只有動能交換，粒子內(nèi)部狀態(tài)并無改變則稱這種散射為彈性散射，若散射過程中粒子內(nèi)部狀態(tài)有所改變（例如原子被激發(fā)或者被電離）則稱之為非彈性散射，所以散射過程主要包括以下兩種方式：（1）高能離子與原子的碰撞過程，其中最著名的是盧瑟福a離子散射實驗（彈性散射）；（2）電子與原子（離子）的碰撞，其中最著名的是Franck-Hertz通過電子對水銀蒸氣的散射實驗（非彈性散射），證明了波爾關(guān)于原子定態(tài)理論的假設。

在非彈性散射過程中，一般討論電子與原子（或離子）的非彈性散射過程，電子會吸收能量，從而使得原子的能量狀態(tài)發(fā)生變化。在這個過程中當自由電子的能量滿足時，離子吸收自由電子的能量從初態(tài)E1激發(fā)到末態(tài)E2這個過程稱為直接碰撞激發(fā)。電子在和原子（離子）碰撞的過程中會將原子（離子）由基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)以及自電離態(tài)。

處于不同能量的原子具有不同的能級。原子的能級可以分為基態(tài)、激發(fā)態(tài)、高激發(fā)態(tài)、自電離態(tài)等?；鶓B(tài)指的是原子中的電子所能存在的最低能量狀態(tài)。激發(fā)態(tài)指的是原子或者離子吸收一定的能量后，電子被激發(fā)到能量高于基態(tài)但尚未電離的狀態(tài)，激發(fā)態(tài)是短壽命的，很容易返回到基態(tài)，同時放出多余的能量。高激發(fā)態(tài)指的是能量軌道比較高的激發(fā)態(tài)，它的結(jié)構(gòu)是由原子或者離子實與實外處于主量子數(shù)n很大的軌道上的一個電子組成的，通常叫做Rydberg態(tài)。自電離態(tài)指的是能量處于第一電離限上的電子激發(fā)態(tài)，結(jié)構(gòu)與Rydberg態(tài)相似，這也是一種分離態(tài)，處于自電離態(tài)上的原子或者離子，可以通過自電離躍遷到連續(xù)態(tài)上。通過對自電離態(tài)的分析，研究可以得到原子的結(jié)構(gòu)特點，因此它有非常重要的研究意義。2

里德堡原子的自電離里德堡原子的自電離主要是由于黑體輻射以及里德堡原子間的碰撞引起的，很多實驗都對里德堡原子向超冷等離子體的演化機制進行了研究。在處于吸引勢的里德堡原子中，原子間主要表現(xiàn)為吸引的相互作用，尤其在熱運動很微弱的超冷低溫的環(huán)境中，會大大增加原子有效碰撞的幾率，導致里德堡原子發(fā)生自電離現(xiàn)象。

但是對處于排斥勢的里德堡原子仍然會發(fā)生自電離現(xiàn)象，這個有趣的現(xiàn)象激起了許多科研工作者的興趣。實驗表明，黑體輻射引起的直接電離、和由于原子間勢能變化引起的碰撞，都會使原子發(fā)生自電離現(xiàn)象。這個過程中會產(chǎn)生少數(shù)自由電子。由于電子的質(zhì)量很小，所以速度很大。它們一部分會直接逃離原子云，從而使其余的正離子形成一個可束縛自由電子的空間正勢阱。另一部分自由電子被勢阱俘獲，與周圍的熱原子或其它里德堡原子發(fā)生激烈碰撞，發(fā)生更加劇烈的電離，產(chǎn)生大量自由電子和正離子，即雪崩電離現(xiàn)象。此時由于逃逸的電子數(shù)目急劇增加，也會使一得勢阱急劇加深。當勢阱深度足以束縛所有被電離出來的電子時，勢阱中即為帶電正離子與自由電子的混合體，至此，超冷等離子體形成。整個演化及形成的簡要過程如圖所示。

超冷等離子體的溫度范圍在約100μK~1mK之間。在極低的溫度下，等離子體中帶電粒子間的相互作用勢能將遠大于離子的熱平均動能，多體相互作用占主要地位，等離子體將會進入強藕合區(qū)域3，將會表現(xiàn)出多體關(guān)聯(lián)性及相躍遷等奇特性質(zhì)。屆時，經(jīng)典等離子體物理中的一些基本假設及定律將不再適用于新的環(huán)境中，需要發(fā)展新的理論來描述超冷等離子體中帶電粒子的行為，這在物理學中又翻開了新的篇章。4

光與原子的相互作用過程對于處于不同能量狀態(tài)的原子，當光與原子相互作用時，原子可以被激發(fā)、電離、同時光子也可能被原子吸收。光與原子的相互作用過程又和原子的能級結(jié)構(gòu)有著非常大的聯(lián)系，因此說研究光與原子的相互作用對了解原子的結(jié)構(gòu)有著重要的意義。

在光與原子的作用過程中，光電離非常重要的機制之一。光電離是指原子（或離子）吸收一個光子后放出一個電子的過程。人們對光電離的研究開始于100多年以前，在1887年赫茲證實電磁波的實驗過程中，發(fā)現(xiàn)當金屬電極受到紫光照射時，會發(fā)射出電子，即光電效應。1905年愛因斯坦推廣了普朗克的黑體輻射理論，引入光量子的理論從而合理的解釋了光電效應。人們對光與原子的相互作用過程的研究對量子力學的建立起著至關(guān)重要的作用，同時光與原子的相互作用也為研究原子物理學提供了一個非常好的途徑。因此研究光電離過程也具有非常重要的理論意義和實際應用價值:

（1）在天體物理、等離子體物理、大氣科學、輻射物理和化學等學科需要大量的關(guān)于原子粒子的光電離截面參數(shù)，研究天物理體和等離子體物理不透明度的研究過程中光電離截面也是一個非常重要的基本參數(shù)。通過對光電離截面的研究得到的自電離寬度在模擬等離子體的投射譜過程中具有重要的應用。

（2）光電離過程是研究原子、離子中的電子關(guān)聯(lián)效應、相對論效應、通道禍合效應、Fano干涉和軌道塌縮等物理過程的重要方法。因此關(guān)于原子的光電離研究也一直是原子物理學的一個重要研究方向。

（3）原子內(nèi)殼層光電離是產(chǎn)生X射線激光的重要機制之一。此機制可以得到超短波長（小于2nm）X射線激光。而傳統(tǒng)的電子碰撞復合與電子碰撞激發(fā)機制產(chǎn)生的X射線激光很難以突破2nm，所以內(nèi)殼層光電離對超短波長（小于2nm）X射線激光的研究具有重理論和應用價值。5