УчебникФизика 7 классКривченко И.В., размещённый в этой рубрике, включён в федеральный перечень учебников в соответствии с ФГОС. Учебник в цветном полиграфическом исполнении с твёрдым переплетом объёмом 150 страниц вышел из печати в июле 2015 г. в пятом издании. Учебник физики 7 класса рассчитан на 2 урока в неделю и содержит 6 тем курса физики, которые перечислены ниже.
Физика 7 класс, тема 01. Физические величины (7+2 ч) Физика. Физическая величина. Измерение физических величин. Цена делений шкалы прибора. Погрешность прямых и косвенных измерений. Формулы и вычисления по ним. Единицы физических величин. Метод построения графика.
Физика 7 класс, тема 02. Масса и плотность (8+1 ч) Явление тяготения и масса тела. Свойство инертности и масса тела. Плотность вещества. Таблицы плотностей некоторых веществ. Средняя плотность тел и их плавание. Метод научного познания.
Физика 7 класс, тема 03. Силы вокруг нас (13+2 ч) Сила и динамометр. Виды сил. Уравновешенные силы и равнодействующая. Сила тяжести и вес тела. Сила упругости и сила трения. Закон Архимеда. Вычисление силы Архимеда. Простые механизмы. Правило равновесия рычага.
Физика 7 класс, тема 04. Давление тел (10+0 ч) Определение давления. Давление жидкости. Закон Паскаля. Давление газа. Атмосферное давление. Барометр Торричелли. Барометр-анероид. Вакуумметры. Манометры: жидкостные и деформационные. Пневматические и гидравлические механизмы.
Физика 7 класс, тема 05. Работа и энергия (9+1 ч) Механическая работа. Коэффициент полезного действия. Мощность. Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия. Механическая энергия. Внутренняя энергия. Взаимные превращения энергии.
Физика 7 класс, тема 06. Введение в термодинамику (15+2 ч) Температура и термометры. Количество теплоты и калориметр. Теплота плавления/кристаллизации и парообразования/конденсации. Первый закон термодинамики. Двигатель внутреннего сгорания. Теплота сгорания топлива и КПД тепловых двигателей. Теплообмен. Второй закон термодинамики.
УчебникФизика 8 классКривченко И.В., размещённый в этой рубрике, включён в федеральный перечень учебников в соответствии с ФГОС. Учебник в цветном полиграфическом исполнении с твёрдым переплетом объёмом 150 стр. вышел из печати в июле 2015 г. в четвёртом издании. Учебник физики 8 класса рассчитан на 2 урока в неделю и содержит 5 тем курса физики, которые перечислены ниже.
Физика 8 класс, тема 07. Молекулярно-кинетическая теория (8+1 ч) Из истории МКТ. Частицы вещества. Движение частиц вещества. Взаимодействие частиц вещества. Систематизирующая роль МКТ. Кристаллические тела. Аморфные тела. Жидкие тела. Газообразные тела. Агрегатные превращения. Насыщенный пар. Влажность воздуха.
Физика 8 класс, тема 08. Электронно-ионная теория (8+1 ч) Строение атомов и ионов. Электризация тел и заряд. Объяснение электризации. Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Электрический конденсатор. Электрический ток. Электропроводность жидкостей, газов и полупроводников.
Физика 8 класс, тема 09. Постоянный электрический ток (13+2 ч) Электрическая цепь. Сила тока. Электрическое напряжение. Работа тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление соединений проводников. Закон Джоуля-Ленца. Электронагревательные приборы. Полупроводниковые приборы. Переменный ток.
Физика 8 класс, тема 10. Электромагнитные явления (8+1 ч) Магнитное поле. Соленоид и электромагнит. Постоянные магниты. Действие магнитного поля на ток. Электродвигатель на постоянном токе. Электромагнитная индукция. Электротрансформатор. Передача электроэнергии. Электродвигатель на переменном токе.
Физика 8 класс, тема 11. Колебательные и волновые явления (9+2 ч) Период, частота и амплитуда колебаний. Нитяной и пружинный маятники. Механические волны. Свойства механических волн. Звук. Электромагнитные колебания. Излучение и прием электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн. Принципы радиосвязи и телевидения.
УчебникФизика 9 классКривченко И.В., размещённый в этой рубрике, включён в федеральный перечень учебников в соответствии с ФГОС. Учебник в цветном полиграфическом исполнении с твёрдым переплетом объёмом 150 стр. вышел из печати в июле 2015 г. в третьем издании. Учебник физики 9 класса рассчитан на 2 урока в неделю и содержит 4 темы курса физики, которые перечислены ниже.
Физика 9 класс, тема 12. Введение в кинематику (16+2 ч) Что такое кинематика. Относительность движения. Путь и перемещение. Сложение и вычитание векторов. Проекции векторов на координатные оси. Равномерное движение. Мгновенная скорость. Равноускоренное движение. Графическое описание движений. Равномерное движение по окружности.
Физика 9 класс, тема 13. Введение в динамику (13+2 ч) Что такое динамика. Первый, второй и третий законы Ньютона. Законы Гука и Кулона-Амонтона. Закон всемирного тяготения. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия.
Физика 9 класс, тема 14. Введение в оптику (11+1 ч) Источники света. Прямолинейное распространение света. Отражение света. Зеркала. Преломление света. Линзы. Оптические приборы. Дисперсия света и цвета тел. Фотография и полиграфия. Корпускулярно-волновой дуализм.
Физика 9 класс, тема 15. Введение в квантовую физику (7+1 ч) Физика XX века. Явление радиоактивности. Регистрация частиц. Строение атома. Характеристики атомного ядра. Ядерные реакции. Природа и свойства радиоактивных излучений. Энергия связи ядра. Энергия ядерных реакций. Ядерная энергетика. Физика XXI века.
Для перехода к параграфам кликайте нумерацию 01 02 03 04 05 и т.д. вверху страницы. Параграфы каждой темы курса физики снабжены интерактивными вопросами и заданиями.
Физика.ru • Клуб для учителей физики, учащихся 7-9 классов и их родителей
Источник
ИОНИЗА́ЦИЯ
В книжной версии
Том 11. Москва, 2008, стр. 546
Скопировать библиографическую ссылку:
ИОНИЗА́ЦИЯ, образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Положительные ионы образуются в результате отрыва электрона (или электронов) от атомов и молекул. В особых случаях нейтральные атомы и молекулы могут присоединять электроны и образовывать отрицательные ионы. Подвергаться И. могут и ионы, при этом повышается их кратность. Под И. понимают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости). И. может происходить при столкновениях частиц (столкновительная, или ударная, И.), под действием электромагнитного излучения (фотоионизация), под действием электрич. поля ( ионизация пол ем). И., происходящая при взаимодействии излучения или частиц внутри вещества (среды), называется объёмной, на поверхности твёрдого тела или жидкости – поверхностной ионизацией . Положительные и отрицательные ионы образуются также при электролитической диссоциации.
Источник
Ионизация
Иониза́ция — эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул.
Положительно заряженный ион образуется, если электрон в атоме или молекуле получает достаточную энергию для преодоления потенциального барьера, равную ионизационному потенциалу. Отрицательно заряженный ион, наоборот, образуется при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии.
Принято различать ионизацию двух типов — последовательную (классическую) и квантовую, не подчиняющуюся некоторым законам классической физики.
Содержание
Классическая ионизация
Аэроионы, кроме того, что они бывают положительными и отрицательными, разделяются на лёгкие, средние и тяжёлые ионы. В свободном виде (при атмосферном давлении) электрон существует не более, чем 10 −7 — 10 −8 секунды.
Ионизация в электролитах
Электролиты — вещества, растворённые в воде. К электролитам относятся растворимые соли, кислоты, гидроксиды металлов. В процессе растворения молекулы электролитов распадаются на катионы и анионы. Фарадей, полагаясь на данные, полученные из экспериментов с электролизом, вывел формулу о пропорциональности массы m к заряду Δq, который прошёл через электролит, или о пропорциональности массы m к силе тока I и времени Δt: .
Ионизация в газах
Газы по большей мере состоят из нейтральных молекул. Однако если часть молекул газов ионизируется, газ проводит электрический ток. Есть два основных способа ионизации в газах:
Термическая ионизация — ионизация, при которой необходимую энергию для отрыва электрона от атома дают столкновения между атомами вследствие повышения температуры;
Ионизация электрическим полем — ионизация вследствие повышения значения напряжения внутреннего электрического поля выше предельного значения. Из этого следует отрыв электронов от атомов газа.
Квантовая ионизация
В 1887 году Генрих Герц установил, что под действием света из тела могут вырываться электроны — было открыто явление фотоэффекта. Это не согласовывалось с волновой теорией света — она не смогла объяснить законы фотоэффекта и наблюдаемое разделение энергии в спектре электромагнитного излучения. В 1900 году Макс Планк установил, что тело может поглощать или испускать электромагнитную энергию только специальными порциями, квантами. Это дало теоретическую основу для объяснения явлений фотоэффекта. Чтобы объяснить явления фотоэффекта, в 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу про существование фотонов как частичек света, что позволяет объяснить квантовую теорию — фотоны, которые способные поглощаться или излучаться как целое одним электроном, придают ему достаточную кинетическую энергию для преодоления силы тяготения электрона к ядру — возникает квантовая ионизация.
Методы ионизации
Методы, использующиеся для ионизации проводящих материалов:
Искровая ионизация: за счёт разницы потенциалов между кусочком исследуемого материала и другим электродом возникает искра, вырывающая с поверхности мишени ионы.
Ионизация в тлеющем разряде происходит в разрежённой атмосфере инертного газа (например, в аргоне) между электродом и проводящим кусочком образца.
Ударная ионизация. Если какая-либо частица с массой m (электрон, ион или нейтральная молекула), летящая со скоростью V, столкнётся с нейтральным атомом или молекулой, то кинетическая энергия летящей частицы может быть затрачена на совершение акта ионизации, если эта кинетическая энергия не меньше энергии ионизации.
Источник
Ионизация — Ionization
Ионизация или ионизация — это процесс, при котором атом или молекула приобретает отрицательный или положительный заряд , приобретая или теряя электроны , часто в сочетании с другими химическими изменениями. Образовавшийся электрически заряженный атом или молекула называется ионом . Ионизация может быть результатом потери электрона после столкновений с субатомными частицами , столкновений с другими атомами, молекулами и ионами или в результате взаимодействия с электромагнитным излучением . Реакции гетеролитического разрыва связи и гетеролитического замещения могут приводить к образованию ионных пар. Ионизация может происходить через радиоактивный распад в процессе внутреннего преобразования , в котором возбужденное ядро передает свою энергию одному из электронов внутренней оболочки, вызывая его выброс.
СОДЕРЖАНИЕ
Использует
Повседневные примеры ионизации газа — например, внутри люминесцентной лампы или других электрических разрядных ламп. Он также используется в детекторах излучения, таких как счетчик Гейгера-Мюллера или ионизационная камера . Процесс ионизации широко используется в разнообразном оборудовании в фундаментальной науке (например, масс-спектрометрия ) и в промышленности (например, в лучевой терапии ).
Производство ионов
Отрицательно заряженные ионы образуются, когда свободный электрон сталкивается с атомом и впоследствии оказывается внутри электрического потенциального барьера, высвобождая любую избыточную энергию. Этот процесс известен как ионизация с захватом электронов .
Положительно заряженные ионы образуются путем передачи некоторого количества энергии связанному электрону при столкновении с заряженными частицами (например, ионами, электронами или позитронами) или с фотонами. Пороговое количество необходимой энергии известно как потенциал ионизации . Изучение таких столкновений имеет фундаментальное значение в связи с проблемой нескольких тел , которая является одной из основных нерешенных проблем физики. Кинематически полные эксперименты , то есть эксперименты, в которых определяется полный вектор импульса всех осколков столкновения (рассеянный снаряд, отражающийся ион-мишень и выброшенный электрон), способствовали значительному прогрессу в теоретическом понимании проблемы нескольких тел. в последние несколько лет.
Адиабатическая ионизация
Адиабатическая ионизация — это форма ионизации, при которой электрон удаляется или добавляется к атому или молекуле в их низкоэнергетическом состоянии с образованием иона в его низкоэнергетическом состоянии.
Разряда Таунсенд является хорошим примером создания положительных ионов и свободных электронов из — за ионный удар. Это каскадная реакция с участием электронов в области с достаточно высоким электрическим полем в газовой среде, которая может быть ионизирована, например в воздухе . После первоначального события ионизации из-за ионизирующего излучения положительный ион дрейфует к катоду , а свободный электрон дрейфует к аноду устройства. Если электрическое поле достаточно велико, свободный электрон получает достаточно энергии, чтобы освободить следующий электрон, когда он в следующий раз столкнется с другой молекулой. Затем два свободных электрона движутся к аноду и получают достаточную энергию от электрического поля, чтобы вызвать ударную ионизацию при следующих столкновениях; и так далее. Это, по сути, цепная реакция генерации электронов, которая зависит от того, что свободные электроны набирают достаточно энергии между столкновениями, чтобы выдержать лавину.
Эффективность ионизации — это отношение количества образованных ионов к количеству используемых электронов или фотонов.
Энергия ионизации атомов
Тенденция изменения энергии ионизации атомов часто используется для демонстрации периодического поведения атомов по отношению к атомному номеру, что суммируется путем упорядочивания атомов в таблице Менделеева . Это ценный инструмент для установления и понимания упорядочения электронов на атомных орбиталях, не вдаваясь в детали волновых функций или процесса ионизации. Пример представлен на рисунке справа. Например, периодическое резкое уменьшение потенциала ионизации за атомами инертных газов указывает на появление новой оболочки в щелочных металлах . Кроме того, локальные максимумы на графике энергии ионизации, перемещающиеся слева направо подряд, указывают на подоболочки s, p, d и f.
Полуклассическое описание ионизации
Классическая физика и модель атома Бора могут качественно объяснить фотоионизацию и ионизацию, обусловленную столкновениями. В этих случаях в процессе ионизации энергия электрона превышает разность энергий потенциального барьера, который он пытается преодолеть. Однако полуклассическое описание не может описать туннельную ионизацию, поскольку процесс включает прохождение электрона через классически запрещенный потенциальный барьер.
Квантово-механическое описание ионизации
Взаимодействие атомов и молекул с достаточно сильными лазерными импульсами приводит к ионизации до одно- или многозарядных ионов. Скорость ионизации, то есть вероятность ионизации в единицу времени, можно рассчитать только с помощью квантовой механики . Как правило, аналитические решения недоступны, а приближения, необходимые для удобных численных расчетов, не дают достаточно точных результатов. Однако, когда интенсивность лазера достаточно высока, детальная структура атома или молекулы может быть проигнорирована и аналитическое решение для скорости ионизации возможно.
Туннельная ионизация
Туннельная ионизация — это ионизация за счет квантового туннелирования . В классической ионизации электрон должен обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть потенциальный барьер, но квантовое туннелирование позволяет электрону просто пройти через потенциальный барьер, а не пройти через него полностью из-за волновой природы электрона. Вероятность туннелирования электрона через барьер экспоненциально спадает с шириной потенциального барьера. Следовательно, электрон с более высокой энергией может продвинуться дальше по потенциальному барьеру, оставляя гораздо более тонкий барьер для туннелирования и, таким образом, с большей вероятностью сделать это. На практике туннельная ионизация наблюдается, когда атом или молекула взаимодействуют с сильными лазерными импульсами ближнего инфракрасного диапазона. Этот процесс можно понять как процесс ионизации ограниченного электрона посредством поглощения более чем одного фотона из лазерного поля. Эта картина широко известна как многофотонная ионизация (MPI).
Келдыш моделировал процесс MPI как переход электрона из основного состояния атома в состояния Волкова. В этой модели не учитывается возмущение основного состояния лазерным полем и не учитываются детали атомной структуры при определении вероятности ионизации. Основная трудность модели Келдыша заключалась в пренебрежении влиянием кулоновского взаимодействия на конечное состояние электрона. Как видно из рисунка, кулоновское поле не очень мало по величине по сравнению с потенциалом лазера на больших расстояниях от ядра. Это контрастирует с приближением, сделанным путем пренебрежения потенциалом лазера в областях вблизи ядра. Переломов и др. включало кулоновское взаимодействие на больших межъядерных расстояниях. Их модель (которую мы называем моделью PPT) была получена для короткодействующего потенциала и включает эффект дальнодействующего кулоновского взаимодействия через поправку первого порядка в квазиклассическом действии. Ларошель и др. сравнили теоретически предсказанные кривые зависимости ионов от интенсивности для атомов инертных газов, взаимодействующих с титан-сапфировым лазером, с экспериментальными измерениями. Они показали, что общая скорость ионизации, предсказанная моделью PPT, очень хорошо соответствует экспериментальным выходам ионов для всех инертных газов в промежуточном режиме параметра Келдыша.
Скорость MPI на атоме с потенциалом ионизации в линейно поляризованном лазере с частотой определяется выражением E я <\ displaystyle E_ > ω <\ displaystyle \ omega>
W п п Т знак равно | C п * л * | 2 6 π ж л м E я ( 2 F ( 2 E я ) 3 2 ) 2 п * — | м | — 3 2 ( 1 + γ 2 ) | м 2 | + 3 4 А м ( ω , γ ) е — 2 F ( 2 E я ) 3 2 г ( γ ) <\ displaystyle W_ = \ left | C_ l ^ <*>> \ right | ^ <2> <\ sqrt <\ frac <6><\ pi>>> f_ E_ \ left ( <\ frac <2>> \ left (2E_ \ right) ^ <\ frac <3><2>> \ right) ^ <2n ^ <*>— | m | — <\ frac <3><2>>> \ left (1+ \ gamma ^ <2>\ right) ^ <\ left | <\ frac <2>> \ right | + <\ frac <3><4>>> A_ (\ omega, \ gamma) e ^ <- <\ frac <2>> \ left (2E_ \ right) ^ <\ frac <3><2>> g \ left (\ gamma \ right)>>
γ знак равно ω 2 E я F <\ displaystyle \ gamma = <\ frac <\ omega <\ sqrt <2e_ >>>>>— параметр адиабатичности Келдыша,
п * знак равно 2 E я Z 2 <\ displaystyle n ^ <*>= <\ frac <\ sqrt <2e_ >>>>>,
F <\ displaystyle F>— пиковое электрическое поле лазера и
л * знак равно п * — 1 <\ displaystyle l ^ <*>= n ^ <*>— 1>.
Коэффициенты , и определяются ж л м <\ displaystyle f_ > г ( γ ) <\ Displaystyle г (\ гамма)> C п * л * <\ displaystyle C_ l ^ <*>>>
ж л м знак равно ( 2 л + 1 ) ( л + | м | ) ! 2 м | м | ! ( л — | м | ) ! г ( γ ) знак равно 3 2 γ ( 1 + 1 2 γ 2 грех — 1 ( γ ) — 1 + γ 2 2 γ ) | C п * л * | 2 знак равно 2 2 п * п * Γ ( п * + л * + 1 ) Γ ( п * — л * ) <\ displaystyle <\ begin f_ & = <\ frac <(2l + 1) (l + | m |)!> <2 ^ | m |! (l- | m |)! >> \\ g (\ gamma) & = <\ frac <3><2 \ gamma>> \ left (1 + <\ frac <1><2 \ gamma ^ <2>>> \ sinh ^ <- 1 >(\ gamma) — <\ frac <\ sqrt <1+ \ gamma ^ <2>>> <2 \ gamma>> \ right) \\ | C_ l ^ <*>> | ^ <2>& = <\ frac <2 ^ <2n <*>>> \ Gamma (n ^ <*>+ l ^ <*>+ 1) \ Gamma (n ^ <*>-l ^ <*>)>> \ конец <выровнено>>>
Коэффициент определяется как А м ( ω , γ ) <\ Displaystyle А_ <м>(\ омега, \ гамма)>
ш м ( Икс ) знак равно е — Икс 2 ∫ 0 Икс ( Икс 2 — у 2 ) м е у 2 d у α ( γ ) знак равно 2 ( грех — 1 ( γ ) — γ 1 + γ 2 ) v знак равно E я ω ( 1 + 2 γ 2 ) <\ displaystyle <\ begin w_ (x) & = e ^ <- x ^ <2>> \ int _ <0>^ (x ^ <2>-y ^ <2>) ^ e ^ > \, dy \\\ alpha (\ gamma) & = 2 \ left (\ sinh ^ <- 1>(\ gamma) — <\ frac <\ gamma><\ sqrt <1+ \ gamma ^ <2>>>> \ right) \\ v & = <\ frac > <\ omega>> \ left (1 + <\ frac <2><\ gamma ^ <2>>> \ right) \ end <выровнено>>>
Квазистатическая туннельная ионизация
Квазистатическое туннелирование (QST) — это ионизация, скорость которой может быть удовлетворительно предсказана моделью ADK, то есть пределом модели PPT при приближении к нулю. Скорость QST определяется как γ <\ displaystyle \ gamma>
W А D K знак равно | C п * л * | 2 6 π ж л м E я ( 2 F ( 2 E я ) 3 2 ) 2 п * — | м | — 3 2 е — 2 3 F ( 2 E я ) 3 2 <\ displaystyle W_ = \ left | C_ l ^ <*>> \ right | ^ <2> <\ sqrt <\ frac <6><\ pi>>> f_ E_ \ left ( <\ frac <2>> \ left (2E_ \ right) ^ <\ frac <3><2>> \ right) ^ <2n ^ <*>— | m | — <\ frac <3><2>>> e ^ <- <\ frac <2><3f>> \ left (2E_ \ right) ^ <\ frac <3><2>>> >
По сравнению с отсутствием суммирования по n, которые представляют различные пики выше пороговой ионизации (ATI), примечательно. W п п Т <\ displaystyle W_ >
Приближение сильного поля для скорости ионизации
Расчеты PPT выполняются в E- калибровке, что означает, что лазерное поле принимается за электромагнитные волны. Скорость ионизации также может быть рассчитана в A- шкале, которая подчеркивает частичную природу света (поглощение нескольких фотонов во время ионизации). Такой подход был принят в модели Крайнова, основанной на более ранних работах Фейсала и Рейсса. Результирующая ставка определяется как
W K р А знак равно ∑ п знак равно N ∞ 2 π ω 2 п ( п — п о s c ) 2 ∫ d Ω | F Т ( я K А р Ψ ( р ) ) | 2 J п 2 ( п ж , п о s c 2 ) <\ displaystyle W_ = \ sum _ ^ <\ infty>2 \ pi \ omega ^ <2>p \ left (n-n _ <\ mathrm > \ right) ^ <2 >\ int \ mathrm \ Omega \ left | FT \ left (I_ \ Psi \ left (\ mathbf \ right) \ right) \ right | ^ <2>J_ ^ < 2>\ left (n_ , <\ frac >> <2>> \ right)>
п я знак равно E я / ω , <\ displaystyle n_ = E_ / \ omega,>
п о s c знак равно U п / ω <\ Displaystyle п _ <\ mathrm > = U_
/ \ omega>с пондеромоторной энергией, U п <\ displaystyle U_
>
N знак равно [ п я + п о s c ] <\ displaystyle N = [n_ + n _ <\ mathrm >]>— минимальное количество фотонов, необходимое для ионизации атома,
J п ( ты , v ) <\ Displaystyle J_ <п>(и, v)>— двойная функция Бесселя,
п знак равно 2 ω ( п — п о s c — п я ) , <\ displaystyle p = <\ sqrt <2 \ omega (n-n _ <\ mathrm > -n_ )>>,>
п ж знак равно 2 п о s c / ω п потому что ( θ ) <\ displaystyle n_ = 2 <\ sqrt > / \ omega>> p \ cos (\ theta)>с углом между импульсом электрона p и электрическим полем лазера F , θ <\ displaystyle \ theta>
FT — трехмерное преобразование Фурье, а
я K А р знак равно ( 2 Z 2 п 2 F р ) п <\ displaystyle I_ = \ left (<\ frac <2z ^ <2>>Fr>> \ right) ^ >включает кулоновскую поправку в модель SFA.
Атомная стабилизация / захват населения
При расчете скорости MPI атомов учитываются только переходы в состояния континуума. Такое приближение приемлемо до тех пор, пока нет многофотонного резонанса между основным состоянием и некоторыми возбужденными состояниями. Однако в реальной ситуации взаимодействия с импульсными лазерами во время эволюции лазерной интенсивности из-за различного штарковского сдвига основного и возбужденного состояний существует вероятность того, что какое-то возбужденное состояние войдет в многофотонный резонанс с основным состоянием. В изображении одетого атома основное состояние, одетое фотонами, и резонансное состояние подвергаются избегаемому пересечению при резонансной интенсивности . Минимальное расстояние при избегаемом пересечении пропорционально обобщенной частоте Раби, связывающей два состояния. Согласно Story et al., Вероятность остаться в основном состоянии, определяется выражением м <\ displaystyle m> я р <\ displaystyle I_ > V м <\ displaystyle V_ > Γ ( т ) знак равно Γ м я ( т ) м / 2 <\ Displaystyle \ Гамма (т) = \ Гамма _ <м>I (т) ^ <м / 2>> п г <\ displaystyle P_ >
п г знак равно exp ( — 2 π W м 2 d W / d т ) <\ displaystyle P_ = \ exp \ left (- <\ frac <2 \ pi w_ ^ <2>> <\ mathrm W / \ mathrm t>> \ right)>
где — зависящая от времени разность энергий между двумя одетыми состояниями. При взаимодействии с коротким импульсом, если динамический резонанс достигается в нарастающей или падающей части импульса, населенность практически остается в основном состоянии и влиянием многофотонных резонансов можно пренебречь. Однако, если состояния входят в резонанс на пике импульса, где , то возбужденное состояние заселяется. После заселения, поскольку потенциал ионизации возбужденного состояния мал, ожидается, что электрон будет мгновенно ионизирован. W <\ displaystyle W> d W / d т знак равно 0 <\ Displaystyle \ mathrm W / \ mathrm t = 0>
В 1992 году де Бур и Мюллер показали, что атомы Xe, подвергнутые воздействию коротких лазерных импульсов, могут выжить в высоковозбужденных состояниях 4f, 5f и 6f. Считалось, что эти состояния возбуждаются динамическим штарковским сдвигом уровней в многофотонный резонанс с полем во время нарастающей части лазерного импульса. Последующая эволюция лазерного импульса не полностью ионизировала эти состояния, оставив после себя высоковозбужденные атомы. Мы будем называть это явление «отловом населения».
Мы упоминаем теоретический расчет, согласно которому неполная ионизация происходит всякий раз, когда имеется параллельное резонансное возбуждение на общий уровень с ионизационными потерями. Мы рассматриваем такое состояние, как 6f Xe, которое состоит из 7 квазивырожденных уровней в диапазоне ширины полосы лазера. Эти уровни вместе с континуумом составляют лямбда-систему. Механизм захвата лямбда-типа схематично представлен на рисунке. В нарастающей части импульса (а) возбужденное состояние (с двумя вырожденными уровнями 1 и 2) не находится в многофотонном резонансе с основным состоянием. Электрон ионизируется за счет многофотонной связи с континуумом. По мере увеличения интенсивности импульса возбужденное состояние и континуум сдвигаются по энергии из-за штарковского сдвига. На пике импульса (б) возбужденные состояния переходят в многофотонный резонанс с основным состоянием. Когда интенсивность начинает уменьшаться (c), два состояния связаны через континуум, и население оказывается в ловушке когерентной суперпозиции двух состояний. При последующем воздействии того же импульса из-за интерференции амплитуд переходов лямбда-системы поле не может полностью ионизировать населенность, и часть населенности будет захвачена когерентной суперпозицией квазивырожденных уровней. Согласно этому объяснению, состояния с более высоким угловым моментом — с большим количеством подуровней — будут иметь более высокую вероятность захвата населения. В общем, сила захвата будет определяться силой двухфотонной связи между квазивырожденными уровнями через континуум. В 1996 году, используя очень стабильный лазер и минимизируя маскирующие эффекты расширения фокальной области с увеличением интенсивности, Талебпур и др. наблюдаемые структуры на кривых однозарядных ионов Xe, Kr и Ar. Эти структуры были объяснены захватом электронов в сильном лазерном поле. О более однозначной демонстрации отлова популяции сообщили Т. Моришита и С.Д. Линь.
Непоследовательная многократная ионизация
Явление непоследовательной ионизации (NSI) атомов, подвергнутых воздействию интенсивных лазерных полей, было предметом многих теоретических и экспериментальных исследований с 1983 года. Новаторская работа началась с наблюдения структуры «колена» на сигнале иона Xe 2+. кривая зависимости от интенсивности, составленная L’Huillier et al. С экспериментальной точки зрения двойная ионизация NS относится к процессам, которые каким-то образом увеличивают скорость образования двухзарядных ионов в огромный раз при интенсивностях ниже интенсивности насыщения однозарядного иона. Многие, с другой стороны, предпочитают определять NSI как процесс, при котором два электрона ионизируются почти одновременно. Это определение подразумевает, что помимо последовательного канала существует еще один канал, который вносит основной вклад в образование двухзарядных ионов при более низких интенсивностях. О первом наблюдении тройного NSI в аргоне, взаимодействующем с лазером 1 мкм, сообщили Augst et al. Позже, систематически изучая NSI всех атомов инертных газов, было обнаружено четырехкратное NSI Xe. Наиболее важным выводом этого исследования было наблюдение следующей связи между скоростью NSI для любого зарядового состояния и скоростью туннельной ионизации (предсказываемой формулой ADK) для предыдущих зарядовых состояний; A^<+>+L->A^<++>>»> А + L — > А + + L — > А + + <\ displaystyle A + L->A ^ <+>+ L-> A ^ <++>> A ^ <+>+ L-> A ^ <<++>>»> A^<++>>»> А + L — > А + + <\ displaystyle A + L->A ^ <++>> A ^ <<++>>»>
W N S ( А п + ) знак равно ∑ я знак равно 1 п — 1 α п ( λ ) W А D K ( А я + ) <\ displaystyle W_ (A ^ ) = \ sum _ ^ \ alpha _ \ left (\ lambda \ right) W_ \ left ( A ^ \ right)>
где — скорость квазистатического туннелирования в i-е зарядовое состояние и — некоторые константы, зависящие от длины волны лазера (но не от длительности импульса). W А D K ( А я + ) <\ displaystyle W_ \ left (A ^ \ right)> α п ( λ ) <\ Displaystyle \ альфа _ <п>(\ лямбда)>
Были предложены две модели для объяснения непоследовательной ионизации; модель стряхивания и модель повторного рассеяния электронов. Модель встряхивания (SO), впервые предложенная Фиттингхоффом и др., Заимствована из области ионизации атомов рентгеновскими лучами и электронными снарядами, где процесс SO является одним из основных механизмов, ответственных за множественную ионизацию атомов. Модель SO описывает NS-процесс как механизм, при котором один электрон ионизируется лазерным полем, и его уход настолько быстр, что оставшиеся электроны не успевают приспособиться к новым энергетическим состояниям. Следовательно, существует определенная вероятность того, что после ионизации первого электрона второй электрон будет возбужден до состояния с более высокой энергией (встряхивание) или даже ионизируется (встряхивание). Следует отметить, что до сих пор количественных расчетов на основе модели SO не проводилось, и модель остается качественной.
Модель перерассеяния электронов была независимо разработана Кучиевым, Шафером и др. , Коркумом, Беккером и Фейсалом, Фейсалом и Беккером. Основные особенности модели легко понять из версии Corkum. Модель Коркума описывает ионизацию НЗ как процесс туннельной ионизации электрона. Затем электрон взаимодействует с лазерным полем, где он ускоряется от ядра ядра. Если электрон был ионизирован в подходящей фазе поля, он пройдет полцикла спустя позицию оставшегося иона, где он сможет освободить дополнительный электрон за счет электронного удара. Только половину времени электрон высвобождается с соответствующей фазой, а в другой половине он никогда не возвращается в ядро ядра. Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь возвращающийся электрон, в 3,17 раза превышает пондеромоторный потенциал ( ) лазера. Модель Коркума устанавливает предел отсечения для минимальной интенсивности ( пропорциональной интенсивности), при которой может происходить ионизация из-за повторного рассеяния. U п <\ displaystyle U_
> U п <\ displaystyle U_
>
Модель повторного рассеяния в версии Кучиева (модель Кучиева) является квантово-механической. Основная идея модели иллюстрируется диаграммами Фейнмана на рисунке а. Сначала оба электрона находятся в основном состоянии атома. Линии, отмеченные a и b, описывают соответствующие атомные состояния. Затем электрон a ионизируется. Начало процесса ионизации показано пересечением наклонной пунктирной линии. где встречается MPI. Распространение ионизированного электрона в лазерном поле, во время которого он поглощает другие фотоны (ATI), показано сплошной толстой линией. Столкновение этого электрона с родительским атомным ионом показано вертикальной пунктирной линией, представляющей кулоновское взаимодействие между электронами. Состояние, отмеченное c, описывает возбуждение иона в дискретное или непрерывное состояние. На рисунке b показан процесс обмена. Модель Кучиева, в отличие от модели Коркума, не предсказывает какой-либо пороговой интенсивности для возникновения ионизации НЗ.
Куциев не учел кулоновские эффекты в динамике ионизованного электрона. Это привело к значительному занижению скорости двойной ионизации. Очевидно, что в подходе Беккера и Фейсала (который по духу эквивалентен модели Кучиева) этого недостатка не существует. На самом деле их модель более точна и не страдает от большого количества приближений, сделанных Кучиевым. Результаты их расчетов идеально согласуются с экспериментальными результатами Walker et al. Беккер и Фейсал смогли согласовать экспериментальные результаты по множественному НСИ атомов инертных газов, используя свою модель. В результате перерассеяние электронов можно рассматривать как основной механизм возникновения процесса NSI.
Многофотонная ионизация электронов внутренней валентности и фрагментация многоатомных молекул
Ионизация внутренних валентных электронов ответственна за фрагментацию многоатомных молекул в сильных лазерных полях. Согласно качественной модели диссоциация молекул происходит по трехступенчатому механизму:
MPI электронов с внутренних орбиталей молекулы, в результате чего молекулярный ион находится на вращательно-колебательных уровнях возбужденного электронного состояния;
Быстрый безызлучательный переход на высоколежащие колебательные уровни нижнего электронного состояния; и
Последующая диссоциация иона на разные фрагменты по различным каналам фрагментации.
Вызванная коротким импульсом молекулярная фрагментация может быть использована в качестве источника ионов для высокоэффективной масс-спектроскопии. Селективность, обеспечиваемая источником на основе коротких импульсов, превосходит селективность, ожидаемую при использовании традиционных источников на основе электронной ионизации, в частности, когда требуется идентификация оптических изомеров.
Рамка Крамерса-Хеннебергера и эффекты фазы ионизации
Изучение сильной полевой ионизации атома в так называемой системе Крамерса-Хеннебергера (KH) приводит к выводу, что эффективность ионизации сильно зависит от временных деталей ионизирующего импульса, но не обязательно от напряженности поля и полной энергии ионизирующего излучения. импульс, накачанный в атом. Система Крамерса-Хеннебергера — это неинтерциальная система координат, движущаяся со свободным электроном под действием гармонического лазерного импульса. Решение уравнений Ньютона для электрона в одном измерении свободным электроном в гармоническом лазерном поле
d 2 Икс d т 2 знак равно F грех ( ω т ) <\ displaystyle <\ frac <\ mathrm ^ <2>x> <\ mathrm t ^ <2>>> = F \ sin (\ omega t)>
будет также гармоничным
Икс ( т ) знак равно — F ω 2 грех ( ω т ) знак равно — а грех ( ω т ) <\ displaystyle x (t) = - <\ frac <\ omega ^ <2>>> \ sin (\ omega t) = — a \ sin (\ omega t)>
Рамка, сопутствующая этому электрону, будет получена преобразованием координат
Икс → Икс + а грех ( ω т ) <\ Displaystyle х \ к х + а \ грех (\ омега т)>
а добавленный кулоновский потенциал будет
V ( Икс ) знак равно — 1 | Икс + а грех ( ω т ) | <\ displaystyle V (x) = - <\ frac <1><\ left | x + a \ sin (\ omega t) \ right |>>>
Среднее время полного цикла этого потенциала, который
V А V знак равно — 1 2 | Икс + а 2 | — 1 2 | Икс — а 2 | <\ displaystyle V_ = — <\ frac <1> <2 \ left | x + <\ frac sqrt <2>>> \ right |>> — <\ frac <1> <2 \ left | x - <\ frac sqrt <2>>> \ right |>>>
будет четной функцией и, следовательно, будет иметь максимум при в то время как для этого начального условия решение будет в KH и, следовательно, будет идентично решению для свободных электронов в лабораторной системе отсчета. С другой стороны, скорость электронов сдвинута по фазе как к напряженности поля, так и к положению электрона: Икс <\ displaystyle x> Икс знак равно 0 <\ displaystyle x = 0> Икс ( т ) знак равно 0 <\ Displaystyle х (т) = 0>
d Икс d т знак равно — F ω потому что ( ω т ) <\ displaystyle <\ frac <\ mathrm x> <\ mathrm t>> = — <\ frac <\ omega>> \ cos (\ omega t)>
Следовательно, если рассматривать вейвлет- импульсы и определять ионизацию как полный выход из отрезка линии длиной 2r (или из сферической области в трех измерениях), полная ионизация происходит в классической модели по прошествии определенного времени или ионизация отсутствует вообще, в зависимости от того, вейвлет гармонического поля отсекается при нулевой минимальной или максимальной скорости. р / ( а ω ) <\ Displaystyle г / (а \ омега)>
Диссоциация — различие
Вещество может диссоциировать без образования ионов. Например, молекулы столового сахара диссоциируют в воде (сахар растворяется), но существуют как нетронутые нейтральные объекты. Еще одно незаметное событие — диссоциация хлорида натрия (поваренная соль) на ионы натрия и хлора. Хотя это может показаться случаем ионизации, на самом деле ионы уже существуют в кристаллической решетке. Когда соль диссоциирует, составляющие ее ионы просто окружены молекулами воды, и их эффекты видны (например, раствор становится электролитическим ). Однако переноса или смещения электронов не происходит. Собственно, химический синтез соли предполагает ионизацию. Это химическая реакция.
.
ω <\ displaystyle \ omega> 
