【摘 要】
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原子与分子的激发和退激发现象普遍存在于核聚变、等离子体、星际空间、行星大气和化学反应过程中。研究原子与分子的激发性质对等离子体物理、天体物理、物理化学等学科的发展具有重要的意义。原子与分子的激发性质包括能级结构和动力学特性,后者常用动力学参数描述,包含着电子的初、末态波函数的信息。在原子与分子物理学科,动力学参数主要以截面、振子强度或者形状因子平方等形式表示。随着现代谱学技术的发展,能级结构的测量
【基金项目】
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国家自然科学基金(U1932207;U1732133;11504361); 国家重点研发计划(2017YFA0402300;2017YFA0303500);
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原子与分子的激发和退激发现象普遍存在于核聚变、等离子体、星际空间、行星大气和化学反应过程中。研究原子与分子的激发性质对等离子体物理、天体物理、物理化学等学科的发展具有重要的意义。原子与分子的激发性质包括能级结构和动力学特性,后者常用动力学参数描述,包含着电子的初、末态波函数的信息。在原子与分子物理学科,动力学参数主要以截面、振子强度或者形状因子平方等形式表示。随着现代谱学技术的发展,能级结构的测量已经能够实现非常高的精度(<10-16)。但是,动力学参数的测量精度却往往不到百分之五。同时,实验和理论方法提供的原子和分子动力学参数基准数据非常有限。因此,发展新的实验技术,交叉检验原子与分子动力学参数的基准数据,以及提供此前尚未研究的原子分子动力学参数,具有重要的科学意义。研究原子与分子动力学参数的实验方法主要有光学方法、电子散射方法、离子碰撞方法和X射线散射方法等。其中,X射线散射方法在原子分子物理领域是新兴的实验方法,本课题组于2009年首次将这一方法用于原子与分子动力学参数研究。在此基础上,本课题组发展了 dipole(γ,γ)方法,用于获取原子与分子的光学振子强度的基准数据。同时,本课题组在上海同步辐射光源的BL15U线站研制了一台非弹性X射线散射谱仪用于原子分子动力学参数的研究。本论文基于实验室发展的dipole(γ,γ)方法,将其能量分辨从70 meV提高到了 25 meV,测量了H2和D2分子的光学振子强度;调试成功上海光源的非弹性X射线散射谱仪,开展了 N2分子内壳层电子激发动力学参数的验证性实验。本论文取得的具体成果如下:(1)进一步发展了 dipole(γ,γ)方法的实验技术。采用位置灵敏探测器,将实验的能量分辨从70 meV提高到25 meV;优化了准直和屏蔽系统,极好地抑制了实验的本底计数。在该条件下测量了 H2分子Lyman带和Werner带的光学振子强度。通过对比实验和理论,我们发现本论文中Lyman带v’>6振动态的测量结果,与光吸收方法和能量分辨稍差的快电子碰撞方法的实验结果以及采用玻恩-奥本海默近似的理论计算结果都有明显的差异,但是和考虑了电子-振动耦合效应的理论计算结果符合很好。对于Werner带,本次测量结果和其它实验和理论计算结果都符合得较好。这说明电子-振动耦合效应对H2分子Lyman带的光学振子强度有明显影响,但是对Werner带的影响较小;(2)利用dipole(γ,γ)方法,实验上首次测量了 D2分子的光学振子强度。通过比较实验和理论结果,我们发现与H2情况不同,D2分子Lyman带和Werner带都没有强烈的电子-振动耦合效应。此外,我们还分析了D2分子的电子跃迁矩阵元。通过和H2的实验和理论结果进行比较,我们观察到了同位素效应引起的微弱差异;(3)非弹性X射线散射方法在原子与分子动力学参数研究中的应用,以前都是围绕原子分子的价电子激发展开的。我们在上海同步辐射光源的BL15U线站上研制了一台非弹性X射线散射谱仪,能量分辨约为1.4eV。这台谱仪的主要目标是研究原子分子的内壳层电子激发动力学参数。本论文对谱仪的性能进行了优化和调试,并且开展了 N2分子内壳层电子激发动力学参数的验证性实验,所得结果表明该谱仪已经达到其设计指标,可以开展原子分子内壳层激发动力学参数的精确测量。
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