西北师范大学 硕士学位论文 高离化态硫离子束箔光谱的理论分析 姓名：黄良育 申请学位级别：硕士 专业：原子与分子物理 指导教师：董晨钟 2009-05 ii 摘 要 高离化态离子的研究对原子结构、核结构、基本粒子理论的研究和检验，以及对 天体、聚变等各类等离子体的研究和诊断都有着重要作用。其辐射谱中不仅包含着反 映等离子体重要信息的大量参数（如电荷态分布及 X 射线辐射极化等），而且为实 验室和天体等离子体的研究提供了一个非常重要且有效的诊断工具。 束箔光谱技术是 产生高离化态离子的一种重要的实验方法，具有激发程度高和激发时间短等特点，已 被广泛应用于研究各种元素的不同离化态离子光谱。 许多研究表明，星体和行星体的光谱中都存在不同电离度硫离子的光谱，硫离子 光谱的识别对天体光谱的研究极为重要。 因此， 本论文在分析硫的束箔光谱的基础上， 利用包含准相对论的 HartreeFock（HFR）方法，对高离化态硫离子 S8+S13+的能级、 电偶极跃迁谱线的波长及相应的跃迁振子强度进行了系统的理论研究， 并对 S10+离子 的相关原子参数进行了详细的计算。 在本论文中，首先介绍了本文工作中所涉及的研究背景、高离化态离子在实验和 理论方面的研究方法。第二章主要介绍了本论文中用到的相对论的 HartreeFock （HFR）方法的相关理论、振子强度的计算及高斯展宽的相关知识。在第三章中，主 要介绍了束箔的实验原理、实验设备及束箔光谱技术的特征。第四章是硕士期间所做 的工作，在调研硫元素不同离化态离子在实验和理论方面的研究现状的基础上，通过 考虑组态相互作用， 利用基于相对论的 HartreeFock (HFR)方法的 Cowan 程序包对高 离化态硫离子的能级、150-500 波段范围内的电偶极跃迁谱线的波长及对应的加权 振子强度等相关原子参数进行了计算，并对束箔光谱进行谱线识别。在此基础上，利 用两种组态模型详细计算了 S10+离子 n=2 和 n=3 组态的能级等大量相关原子数据， 分 析了不同组态对原子参数的影响。论文最后给出了本工作的总结及对未来工作的展 望。 关键词：关键词：束箔光谱技术，HFR 方法，高离化态离子，能级，加权振子强度 iii Abstract The research of highly charged ions plays a key role in the study and test on the atomic structure， nuclear structure and basic particles; as well as the research and diagnosis on kinds of plasmas in astrophysics and fusion. And its radiation spectra not only contain important information about plasma parameters such as charge state distribution, polarization of Xray radiation and so on, but also provide an important diagnostic tool for investigations of laboratory and astrophysical plasmas. beamfoil technology is an important method of producing the highly charged ions in the laboratory, and is characterized by higher excitated degree and shorter excitated time. Therefore, it is widely used to research on different charged ions for every element. Many researches show that the spectra from different charged S ions are in the spectra of planets, it is very important for the study of the spectra from celestial body to identify the spectra of Sulfur ion. Consequently, on the basis of analyzing the beam-foil spectra of sulfur, we use the quasirelativistic HartreeFock (HFR) method in the present work, and give the systemic theoretical investigation on the levels, electric dipole radiation (E1) wavelength and its transition oscillator strength for S8+-S13+ions. Besides, the correlative atomic data for S10+ are calculated in detail. In this thesis, firstly, an introduction has been given, which involve the background and the research methods for highly charged ions in experiment and theory; Chapter 2 describes the quasirelativistic HartreeFock (HFR) method, the calculation of transition probability and oscillator strength and the relative knowledge of Gaussian broadening; the experimental principle of beamfoil technology and its experimental apparatus, as well as the identity of the beamfoil spectra technology are presented in Chapter 3; Chapter 4 includes the work done during the master period, on the basis of seeing about the recent study on the sulfur element in the experiment and theory, applying the Cowans code based on the quasirelativistic HartreeFock method, we calculate the levels, electric dipole radiation (E1) wavelength from 150 to 500 and their transition oscillator strength and so on, and consequently identify the experimental spectra. Besides, the large number of atomic data such as levels etc for principle quantum number n=2 and 3 for S10+ ions using two configuration models are calculated , and the effect caused different configuration on iv the atomic data are analyzed; In the end of the thesis, some summarization and a vista of the future work have been given. Keyword: beam-foil spectra technology, highly charged ions, HFR method, level, weighted oscillator strength i 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示 了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签名： 导师签名： 日期： 1 第一章 前 言 原子物理学是关于微观结构的一门科学， 主要研究原子的结构、 性质及原子与光子、 电子、离子等微观粒子相互作用的规律。原子物理起源于 19 世纪对太阳光谱和气体放 电的研究，经过 20 世纪 20 年代第一次发展高峰期，结合原子模型、实验获得的有关原 子核知识和量子力学成为一门独立的物理学分支学科1-5。 原子是物质结构的微小单元，吸收与发射光子形成光谱。原子光谱是原子物理学的 重要基础和主要组成部分，是研究原子结构的重要途径之一。对原子和离子发射或吸收 光的光谱研究起始于 19 世纪。在 19 世纪最后二十年中，由于生产的发展，物理学得到 了迅速发展，光谱资料在此期间也积累了很多资料。例如，1885 年巴耳末发现氢光谱线 系的规律；1887 年赫兹发现光电效应；1895 年伦琴发现 X 射线；1896 年贝克勒耳发现 放射性；1897 年汤姆逊证明了电子的存在。1900 年普朗克提出了量子论；1913 年，丹 麦物理学家玻尔在分析氢原子光谱数据的基础上，提出了量子态的概念，第一次半经典 地描述了电子在原子内的运动，首次把量子概念引入到原子领域，为量子力学的建立奠 定了基础。随后，弗兰克-赫兹利用电子轰击原子的实验证实了原子中电子的能级结构； 戴维孙和乔治汤姆发现电子在晶体中的衍射现象， 从而揭示了微观粒子的波粒二象性。 同时期，海森堡和薛定谔分别提出了矩阵力学和波动力学理论。20 世纪的前 30 年，原 子物理学的快速发展促进了量子力学的建立，开创了近代物理的新时代1,3-4。 量子力学的建立为原子结构和光谱的研究提供了一个强有力的理论工具， 使其在实 验和理论方面得到了迅速发展。20 世纪 30 年代，实验上观测到的原子能级和光谱线强 度都得到了成功的理论解释，而且对一些简单原子的能级和谱线强度进行了定量计算。 在这期间，E. U. Condon 和 G. H. Shortley 发表了他们的经典著作6，总结了这一时期的 进展和成果，该书现在仍被认为是一部关于原子结构和光谱理论的标准参考文献，只是 当时不能处理过渡族和稀土元素等复杂原子的问题。由于种种原因，在此后相当长的一 段时间内，对原子物理未能进行全面深