Конкурс научных работ 2012 года
Учебное пособие "Атомная спектроскопия",
Новосибирск: Изд. НГУ, 2010. 157 с.
ISBN 978-5-94356-925-8
Плюснин В.Ф.
В учебном пособии представлены основные положения электронного строения атомов и атомной спектроскопии. Основное внимание уделено тем сторонам строения атомов, которые представляют наибольший интерес для химиков при исследовании фундаментальных проблем строения и реакционной способности атомов и молекул. В учебном пособии освещена также спектроскопия необычных атомных систем и систем используемых в качестве рабочих сред для лазеров. Представлены атомные системы, используемые в современной метрологии, рассмотрены процессы лазерного охлаждения атомов и нелинейной ионизации.
Данное учебное пособие может быть использовано студентами физических и химических факультетов университетов, специализирующихся в областях химической физики, физической химии, химической кинетики, катализа, биофизики и биохимии, для аспирантов и соискателей, готовящихся к сдаче кандидатского экзамена по специальности.
Атомная спектроскопия – исследование атомов и ионов с помощью изучения их взаимодействия с электромагнитным излучением, которое сопровождается внутренней перестройкой атомных электронов. Успехи атомной спектроскопии во многом способствовали развитию других областей науки и современной технологии. Экспериментальные исследования атомных спектров впервые заставили физиков усомнится в справедливости классической физики на микроскопических расстояниях и тем самым способствовали наступлению новой, квантовой эры. Со временем более точные эксперименты по тонкой атомной структуре привели к развитию релятивистской квантовой теории, открытию спина частиц, открытию аномального магнитного момента электрона и лэмбовского сдвига, к разработке современной квантовой электродинамики.
Разработка первых лазеров была бы невозможна без детальной информации об энергетических уровнях и других атомных параметров, определяемых при изучении атомных спектров. Важное значение имеют методы атомной спектроскопии при изучении поверхностей в микроэлектронике. В экспериментах по многофотонному возбуждению удается ионизовать и детектировать отдельные выбранные атомы, находящиеся в среде других атомов. Эта информация позволяет значительно повышать эффективность обогащения изотопов. Атомная спектроскопия является важным инструментом при исследовании ядерной структуры. Так, например, при построении оболочечной модели ядра большую роль сыграли сведения об ядерных спинах и моментах, полученные в магнитно-резонансных экспериментах с атомными пучками, и сведения о сверхтонкой структуре в оптическом диапазоне. Появление перестраиваемых лазеров значительно повысило возможности применения атомной спектроскопии для изучения ядерной структуры. Теперь можно ориентировать короткоживущие ядра с помощью лазерной накачки, а затем определять их ориентацию по анизотропии продуктов ядерного распада.
Астрофизика основана на изучении спектрального состава излучения, достигающего Землю. Все наши сведения об элементном составе, температуре и плотности звездных атмосфер и межзвездной материи получены в результате анализа информации, которую предоставляет атомная спектроскопия. Анализ относительного содержания различных элементов играет важную роль для решения фундаментальных вопросов, касающихся эволюции Вселенной.
Оглавление учебного пособия "Атомная спектроскопия"
Атомная спектроскопия
История развития представлений о физике атомов
Открытие различных атомов
Атом водорода
Угловые функции атома водорода
Радиальные функции атома водорода
Изотопные эффекты
Операторы орбитального момента
Правила отбора и вероятности переходов для атома водорода
Динамика спектроскопических переходов
Сложение моментов
Магнитный момент, связанный с орбитальным угловым моментом
Спиновые функции и спиновые операторы
Теория возмущений
Применение теории возмущений для определения электронной энергии атома гелия, учет межэлектронного отталкивания
Вариационный принцип для определения энергии основного состояния атома гелия
Тождественность частиц
Конструирование симметричных и антисимметричных функций для бозонов и фермионов
Одноэлектронное приближение, метод Хартри-Фока
Термы атомов. Схемы Рассел - Саундерса и j-j связи
Термы неэквивалентных электронов в случае LS связи
Термы эквивалентных электронов в случае LS связи
Энергии атомных термов
Спин-орбитальное взаимодействие. Схема Рассел-Саундерса
Тонкая структура уровней атома водорода
Лэмбовский сдвиг уровней энергии атома водорода
Сверхтонкая структура уровней атома водорода
Расщепление терма сложных атомов на мультиплеты. Схема Рассел-Саундерса
Сильное спин-орбитальное взаимодействие. Случай j-j связи
Случай j-j связи для эквивалентных электронов
Правила отбора для многоэлектронных атомов
Ширина атомных спектральных линий
Периодическая система элементов Менделеева
Периодические свойства элементов
Релятивистская теория атома водорода
Расщепление атомных уровней в магнитном поле. Эффект Зеемана
Расщепление термов в магнитном поле в случае j-j связи
Расщепление атомных уровней в очень сильном магнитном поле. Эффект Пашена - Бака
Расщепление атомных уровней в электрическом поле. Эффект Штарка
Рентгеновские спектры атомов
EXAFS – анализ тонкой структуры рентгеновского поглощения
XANES – анализ структуры рентгеновского поглощения вблизи края поглощения
Ридберговские атомы
Позитроний
Мюоний
Протий
Атомная спектроскопии и метрология
Принципы работы лазеров
Лазерное охлаждение атомов
Астрофизика и атомная спектроскопия
Нелинейная ионизация
Список рекомендованной литературы