Dipole（γ，γ）方法的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與H2及其同位素分子的激發(fā)動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、原子、分子及離子的碰撞過(guò)程普遍存在于星際空間、核聚變、等離子體以及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，所以原子分子的結(jié)構(gòu)及其激發(fā)動(dòng)力學(xué)研究對(duì)于相關(guān)學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。緣于天文觀測(cè)、能源項(xiàng)目、軍事技術(shù)和航空工業(yè)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重大需求，促使原子分子激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究成為最活躍的前沿領(lǐng)域之一。但是，實(shí)驗(yàn)上原子分子激發(fā)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量精度卻一直不夠高，且為止目前，對(duì)散射過(guò)程中的物理機(jī)制仍然存在許多爭(zhēng)議和不確定性。因此，發(fā)展或者改進(jìn)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提高

2、原子分子激發(fā)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量精度，對(duì)于深入理解原子分子的結(jié)構(gòu)及散射機(jī)理極其重要。
　　快電子碰撞方法是研究原子分子結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)的重要技術(shù)手段，歷史上曾提供了大量的原子分子激發(fā)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。近年來(lái)，隨著第三代同步輻射和自由電子激光等先進(jìn)光源的發(fā)展，非彈性硬X射線(xiàn)散射技術(shù)發(fā)展成為了研究原子分子的結(jié)構(gòu)和激發(fā)動(dòng)力學(xué)的有力工具。雖然快電子碰撞方法和非彈性硬X射線(xiàn)散射技術(shù)是完全不同的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，但都能夠用來(lái)測(cè)量原子分子的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，且

3、二者間存在著緊密的聯(lián)系。
　　利用非彈性硬X射線(xiàn)散射技術(shù)和快電子碰撞方法，本論文開(kāi)展了一系列原子分子的激發(fā)動(dòng)力學(xué)研究:
　　1.從非彈性X射線(xiàn)散射過(guò)程的理論基礎(chǔ)出發(fā)，闡明了小角度X射線(xiàn)散射可以模擬光吸收過(guò)程，并由此提出并實(shí)現(xiàn)了測(cè)量氣相原子分子光學(xué)振子強(qiáng)度的dipole(γ，γ)方法。以He的21P躍遷為基準(zhǔn)，建立了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的絕對(duì)化方法。新提出的dipole(γ，γ)方法不受線(xiàn)飽和效應(yīng)的影響，且其Bethe-Born因子隨能量

4、變化十分平緩，幾乎不存在系統(tǒng)誤差，可以給出更高精度的光學(xué)振子強(qiáng)度數(shù)據(jù)。本工作利用dipole(γ，γ)方法測(cè)量了He原子的光學(xué)振子強(qiáng)度，與前人實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算的結(jié)果獲得了很好的一致性，證明了dipole(γ，γ)方法是研究氣相原子分子光學(xué)振子強(qiáng)度的有力工具;
　　2.分別利用快電子碰撞方法和非彈性X散射方法研究了H2分子的激發(fā)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從實(shí)驗(yàn)上首次獲得了振動(dòng)分辨的Lyman帶、Wener帶以及EF1∑+g態(tài)的形狀因子平方。在實(shí)驗(yàn)和

5、理論計(jì)算的對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象:本次快電子碰撞方法和非彈性X散射方法測(cè)得的Lyman帶v'＜6的結(jié)果與理論計(jì)算符合較好，但隨著振動(dòng)量子數(shù)的增大，實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算之間的偏差越來(lái)越大。分析這種偏離的原因可能是，對(duì)于H2這樣的質(zhì)量很小的分子，其原子核的運(yùn)動(dòng)速度隨振動(dòng)量子數(shù)的增大而明顯增大，導(dǎo)致其電子-振動(dòng)耦合效應(yīng)變得不可忽略。對(duì)于Wener帶和EF1∑+g態(tài)，本次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果整體符合較好。但在較大動(dòng)量轉(zhuǎn)移區(qū)間，本次電子碰撞實(shí)

6、驗(yàn)的結(jié)果略低于非彈性X射線(xiàn)散射的結(jié)果，說(shuō)明碰撞能量為1500eV時(shí)，電子碰撞實(shí)驗(yàn)仍然沒(méi)有滿(mǎn)足一階Born近似;
　　3.利用快電子碰撞方法分別研究了HD和D2分子的激發(fā)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從實(shí)驗(yàn)上首次獲得了HD和D2分子振動(dòng)分辨的Lyman帶、Wener帶以及EF1∑+g態(tài)的形狀因子平方。對(duì)比實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與H2類(lèi)似的漸進(jìn)現(xiàn)象——低振動(dòng)量子數(shù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論符合較好，隨著振動(dòng)量子數(shù)的增大，實(shí)驗(yàn)和理論逐漸偏離。值得關(guān)注的是，從H2、

7、HD到D2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的偏離逐漸變小，也即其符合程度逐漸變好，表現(xiàn)出了一定的同位素效應(yīng)。由于H2、HD和D2這三個(gè)分子的質(zhì)量越來(lái)越大，其原子核運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該越來(lái)越慢，會(huì)導(dǎo)致電子-振動(dòng)耦合效應(yīng)逐漸變?nèi)?。這可能是H2、HD和D2這三個(gè)分子實(shí)驗(yàn)的形狀因子平方與理論計(jì)算符合越來(lái)越好的原因?？紤]到H2、HD以及D2是非常簡(jiǎn)單的雙原子分子，原本預(yù)期其價(jià)殼層激發(fā)態(tài)的理論計(jì)算應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)符合很好，然而目前的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)仍然存在明顯的差別。對(duì)上

8、述差別的定性解釋?zhuān)枰叻直媛实膶?shí)驗(yàn)和考慮了電子-振動(dòng)耦合效應(yīng)的理論計(jì)算來(lái)證實(shí);
　　4.作者在讀博期間，對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的快電子能量損失譜儀做了一系列的改進(jìn)，包括電源與譜儀整體恒溫、改進(jìn)單色器與作用室之間的差分抽氣，清洗、重組電子光學(xué)部件，改進(jìn)膠體石墨噴涂工藝、解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)丟失數(shù)據(jù)等。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，譜儀在入射電子能量1500-2500eV下實(shí)現(xiàn)能量分辨最好為60meV，且在沒(méi)有大的改動(dòng)時(shí)，正常開(kāi)機(jī)就能測(cè)到信號(hào)，兩三天之內(nèi)便可以調(diào)試