ФИЗИКА ВНУТРИАТОМНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

 

Профессор А.С.Виноградов

 

Введение.

 

Задачи и содержание курса, связь с другими спецкурсами. Основные сведения об истории открытия и развитии исследований внутриатомных процессов.

 

1. Характеристическое рентгеновское излучение.

 

       Эмпирические закономерности для характеристического рентгеновского излучения: зависимость интенсивности от анодного тока, критическое напряжение, сериальный характер возбуждения, комбинационный принцип Ритца, тонкая структура рентгеновских линий, относительные интенсивности линий в сериях, зависимость интенсивности от анодного напряжения, постоянство формы линии, закон Мозли. Основные принципы номенклатуры характеристических рентгеновских линий.

       Модель Баркла-Косселя для характеристического рентгеновского излучения (электронные переходы между состояниями атома с вакансией на внутренней оболочке), ее недостатки. Элементы систематики атомных спектров: спектр состояний одноэлектронного атома ( атома водорода и водородоподобных ионов), стационарная теория возмущений и релятивистские поправки к энергиям атома водорода, одноэлектронное приближение для описания спектра многоэлектронного атома (самосогласованное поле, теория возмущений для учета нецентральной части поля и релятивистских эффектов), эффективный одноэлектронный потенциал, четность состояний, электронная конфигурация, нормальная или LS-связь (Рассела-Саундерса) , спектральные термы, первое правило Хунда, тонкая структура термов, мультиплетность, мультиплетное расщепление и правило интервалов Ланде, второе правило Хунда (нормальные и обращенные мультиплеты), нахождение термов многоэлектронных конфигурации неэквивалентных и эквивалентных электронов, принцип вакансий Паули, jj-связь, sp-конфигурация в LS- и jj-связи, правила отбора для радиационных переходов в одноэлектронном и многоэлектронном атоме.

       Рентгеновские термы. Квантовомеханическая теория Зоммерфельда характеристических рентгеновских спектров: водородоподобный характер рентгеновских термов, выражение для энергии рентгеновского уровня и терма, постоянные экранирования, закон Мозли для рентгеновских термов, диаграмма рентгеновских уровней, правила отбора для радиационных переходов, недиаграммные линии - сателлиты, спин-дублеты рентгеновских характеристических линий, дублеты экранирования.

       Зависимость интенсивности линий характеристического спектра от анодного напряжения в модели Дэвиса и Россланда. Интенсивность излучения классического гармонического осциллятора, классическая сила осциллятора для атома. Квантовая модель процессов излучения и поглощения ансамблем атомов: спонтанное и индуцированное излучение, поглощение, коэффициенты Эйнштейна и связь между ними, вероятность спонтанного перехода и время жизни возбужденных состояний. Связь между классической силой осциллятора и квантовомеханической вероятностью перехода. Квантовомеханическое представление силы осциллятора. Правила сумм для силы осциллятора. Относительные интенсивности эмиссионных линий в мультиплете (правило Бургера-Доргело). Вероятность перехода в нестационарной теории возмущений. "Золотое" правило Ферми. Поглощение и испускание света под влиянием периодического электромагнитного возмущения. Оценка вероятности спонтанного перехода для оптической и рентгеновской областей спектра.

       Классическая теория формы и ширины рентгеновских характеристических линий: "радиационное" трение, излучение затухающего осциллятора, эффективное время жизни осциллятора, форма и ширина линии излучения. Квантовая теория естественной ширины уровней энергии и спектральных линий: описание в рамках нестационарной теории возмущений, вероятность спонтанного перехода и естественная ширина уровня энергии возбужденного состояния, радиационная и безрадиационная ширина уровня, их соотношение для разных электронных оболочек и разных атомов.

 

2. Тормозное рентгеновское излучение.

 

       Основные эмпирические закономерности для тормозного спектра: непрерывное спектральное распределение, коротковолновая граница и максимум интенсивности в спектре, формула Куленкампфа, поляризация излучения, интегральная интенсивность.

       Теория импульсов Стокса-Томсона-Зоммерфельда: основные идеи, электромагнитное поле произвольно движущегося заряда, мощность излучения - формула Лармора (нерелятивистский и релятивистский случаи), интегральная интенсивность тормозного спектра, пространственное распределение непрерывного спектра для одного электрона (нерелятивистский и релятивистский случаи), сравнение с экспериментом для тонкого анода, обратная диффузия электронов в массивном аноде, пространственное распределение интенсивности тормозного излучения массивного анода по Зоммерфельду, радиационные потери электрона при прямолинейном ускорении, спектральное распределение и поляризация тормозного излучения.

       Полуквантовая модель Крамерса для тормозного спектра: классическое описание движения электрона, излучаемая энергия, спектральное распределение, переход к квантовому описанию на основе принципа соответствия, результаты для тонкого анода, энергетические потери быстрой заряженной частицы при ее движении в веществе (классическое описание по Н.Бору; квантовое рассмотрение по Х.Бете), закон Томсона-Уиддингтона, спектральное распределение для массивного анода, изохромата, кпд генерации тормозного спектра, поляризация тормозного спектра. Элементы квантовомеханического рассмотрения тормозного излучения: электронное и поляризационное (атомное излучение), основные результаты теории Зоммерфельда.

 

3. Поглощение рентгеновского излучения и рентгеновский фотоэффект.

 

       Основные процессы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом: фотоионизационное поглощение, сопровождаемое фотоэффектом, и рассеяние - упругое (когерентное или томсоновское) и неупругое (некогерентное: комптоновское и рамановское), коэффициенты ослабления излучения (линейный, массовый и атомный - сечение поглощения).

       Эмпирические закономерности для рентгеновского поглощения: преобладание над рассеянием, аддитивность сечений поглощения, "пилообразная" зависимость коэффициентов поглощения от длины волны и атомного номера, скачки поглощения и степенная зависимость коэффициента поглощения между скачками.

       Классическая теория поглощения и ее недостатки. Связь линейного коэффициента поглощения с коэффициентами Эйнштейна и силой осциллятора. Элементы квантовомеханического описания рентгеновского поглощения: сечение поглощения, непрерывное К-поглощение атома в рамках водородоподобного приближения Штоббе, особенности атомного поглощения в области ультрамягкого рентгеновского излучения.

       Энергетический баланс при фотоэффекте. Сечение фотоэффекта в борновском приближении. Фотоэффект из атома водорода. Угловое распределение фотоэлектронов (нерелятивистский и релятивистский случаи). Параметр асимметрии углового распределения фотоэлектронов, магический угол отбора. Полное сечение фотоэффекта (сечение поглощения).

 

4. Оже-эффект и флуоресценция.

 

       Оже-эффект и флуоресценция - основные процессы распада возбужденных состояний атомов с вакансиями во внутренних электронных оболочках. Оже-переходы в атомах: двухчастичный характер, обозначения, Костер-Крониговские и супер-Костер-Крониговские переходы, энергия и интенсивность Оже-переходов. Каскад Оже-переходов. Оже-сателлиты. Многочастичные Оже-переходы, радиационный Оже-переход. Резонансный Оже-процесс. Выход флуоресценциии Зависимость выхода флуоресценции от характеристик атома.

 

5. Рассеяние рентгеновских лучей.

 

       Классическая теория упругого рассеяния свободным электроном: угловая зависимость интенсивности рассеяния, поляризация рассеянного излучения, полная энергия рассеяния. Оценка рассеяния многоэлектронным атомом в приближении независимых электронов. Зависимость массового коэффициента рассеяния от атомного номера.

       Комптоновское рассеяние свободным электроном, комптоновская длина волны электрона, рассеяние на связанном электроне, формула Блоха, электроны отдачи. Относительная вероятность упругого и неупругого рассеяния, формула Клейна-Нишины.

       Атомный фактор рассеяния. Квантовомеханические методы расчета атомного фактора: метод Хартри, метод Хартри-Фока и метод Томаса-Ферми. Дисперсионные поправки к атомному фактору.

 

Литература.

1. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. М.: ГТТИ, 1957.

2. Боровский И.Б. Физические основы рентгеноспектральных исследований. М.: Изд-во МГУ, 1956.

3. Шпольский Э.В. Атомная физика. Т. 1 и 2. М.: ГИФМЛ, 1963.

4. Зигбан К. и др. Электронная спектроскопия. М.: Мир, 1971.

5. Фано У., Купер Дж. Спектральное распределение сил осцилляторов в атомах. М.: Наука, 1972.

6. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М.: Наука,1977.

7. Каразия Р. Введение в теорию рентгеновских и электронных спектров свободных атомов. Вильнюс: Мокслас,1987..

8. Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. М.: Изд-во МГУ, 1972.