МНОГОЗАРЯ́ДНЫЕ ИО́НЫ

МНОГОЗАРЯ́ДНЫЕ ИО́НЫ, по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ные ио­ны с боль­шой крат­но­стью ио­ни­за­ции. Иг­ра­ют су­ще­ст­вен­ную роль в атом­ных про­цес­сах, про­ис­хо­дя­щих в вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной ла­бо­ра­тор­ной и ас­т­ро­фи­зич. плаз­ме. Спек­тры излу­че­ния М. и. слу­жат ис­точ­ни­ком (час­то един­ст­вен­ным) ин­фор­ма­ции о мак­ро­пара­мет­рах плаз­мы, та­ких как элек­трон­ная темп-ра и плот­ность, за­ря­до­вое рас­пре­де­ле­ние ио­нов, сте­пень ио­ни­за­ции, по­ля­ри­за­ция ко­рот­ко­вол­но­во­го из­лу­че­ния и др.

М. и. обо­зна­ча­ют­ся как $\ce{X^{q +}}$, где $\ce{X}$ – сим­вол ато­ма в пе­рио­дич. сис­те­ме хи­мич. эле­мен­тов, $q$ – за­ряд ио­на. Обыч­но ио­ны $\ce{X^{q +}}$ на­зы­ва­ют мно­го­за­ряд­ны­ми при $q>5$ (напр., $\ce{C^{6+}, Fe^{24+}, U^{28+}}$) и ма­ло­за­ряд­ны­ми при $q⩽5$ (напр., $\ce{He^+, Ar^{2+}, Bi^+}$). Ио­ны с фик­си­ро­ван­ным чис­лом элек­тро­нов $N$, но с раз­ным за­ря­дом яд­ра при­над­ле­жат к изо­элек­трон­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти ней­траль­но­го ато­ма $\ce{A}$ с тем же чис­лом элек­тро­нов и обо­зна­ча­ют­ся $\ce{[A]}$. Напр., ио­ны $\ce{He^+, C^{5+}, Fe^{25+}, U^{91+}}$ от­носят­ся к во­до­ро­до­по­доб­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти ($\ce{[H]}$, или $\ce{H}$-по­доб­ные ио­ны, $N=1$), ио­ны $\ce{C^{4+}, Fe^{24+}, U^{90+}}$ – к ге­лие­по­доб­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти ($\ce{[He]}$, или $\ce{He}$-по­доб­ные ио­ны, $N=2$), и т. д.

В атом­ной спек­тро­ско­пии ион обо­зна­ча­ет­ся как $XZ$, где $Z$ – cпектроскопический сим­вол ио­на: $Z=q+ 1$ обо­зна­ча­ется рим. циф­ра­ми. Для ней­траль­ных ато­мов $Z=1$; напр., ней­траль­ный атом $\ce{He}$ и ион $\ce{Fe^{24+}}$ в спек­траль­ных обо­зна­че­ни­ях име­ют вид: $\ce{HeI}$ и $\ce{FeXXV}$.

Ха­рак­тер­ные осо­бен­но­сти М. и., от­лич­ные от свойств ней­траль­ных ато­мов с та­ким же чис­лом элек­тро­нов, свя­за­ны с силь­ным ку­ло­нов­ским по­лем яд­ра, не пол­но­стью эк­ра­ни­ро­ван­ным элек­тро­на­ми. Так, спек­тры из­лу­че­ния М. и. изо­элек­трон­но­го ря­да сход­ны со спек­тра­ми из­лу­че­ния ней­траль­ных ато­мов с тем же чис­лом элек­тро­нов, но сме­ща­ют­ся в ко­рот­ко­вол­но­вую об­ласть спек­тра. Кро­ме то­го, в спек­трах М. и. по­яв­ля­ют­ся до­пол­нит. ли­нии, от­сут­ст­вую­щие в спек­трах ней­траль­ных ато­мов, – т. н. са­тел­ли­ты. Они воз­ни­ка­ют в ре­зуль­та­те воз­бу­ж­де­ния элек­тро­нов внутр. обо­ло­чек М. и. или про­цес­сов ди­элек­трон­ной ре­ком­би­на­ции М. и. при их взаи­мо­дей­ст­вии с элек­тро­на­ми плаз­мы. Са­тел­ли­ты име­ют ма­лую спек­траль­ную ши­ри­ну и при дос­та­точ­ном спек­траль­ном раз­ре­ше­нии хо­ро­шо ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся. Т. о., в спек­трах из­лу­че­ния М. и. со­сре­до­то­че­но мно­го спек­траль­ных ли­ний, даю­щих ин­фор­ма­цию о строе­нии М. и. и па­ра­мет­рах плаз­мы, в ко­то­рой они су­ще­ст­ву­ют.

В при­ро­де М. и. встре­ча­ют­ся в плаз­ме гро­зо­во­го раз­ря­да – мол­нии, в ат­мо­сфе­ре Зем­ли ($\ce{O^{q +}}$ и $\ce{N^{q +}}$), в плаз­ме сол­неч­но­го вет­ра ($\ce{O^{q +}, Si^{q +}, S^{q +}, Fe^{q +}}$), в плаз­ме Солн­ца (от $\ce{C^{q +}}$ до $\ce{Zn^{q +}}$) и кос­мич. объ­ек­тов, та­ких как бе­лые кар­ли­ки, ос­тат­ки вспы­шек сверх­но­вых, ком­пакт­ные рент­ге­нов­ские ис­точ­ни­ки и др. В сол­неч­ной ко­ро­не кон­цен­тра­ция М. и. со­став­ля­ет до­ли про­цен­та.

В ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях М. и. по­лу­ча­ют в плаз­мен­ных ис­точ­ни­ках, ион­ных ус­ко­ри­те­лях, на­ко­пи­тель­ных коль­цах и ион­ных ло­вуш­ках. Наи­боль­ший за­ряд ио­нов ($q=92$) по­лу­чен для пол­но­стью ио­ни­зо­ван­ных ато­мов ура­на $\ce{U^{92+}}$ на ус­ко­ри­те­ле UNILAC (Universal Linear Acce­lerator) в Цен­тре по изу­че­нию тя­жё­лых ио­нов им. Г. Гельм­голь­ца (г. Дарм­штадт, Гер­ма­ния).

Свой­ст­ва М. и. и их из­лу­че­ние ис­поль­зу­ют­ся в рент­ге­нов­ской ас­тро­но­мии и ас­т­ро­фи­зи­ке, в ча­ст­но­сти для рент­ге­нов­ской ди­аг­но­сти­ки па­ра­мет­ров вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы по от­но­сит. ин­тен­сив­но­стям рент­ге­нов­ских ли­ний, а так­же при соз­да­нии ла­зе­ров ко­рот­ко­вол­но­во­го из­лу­че­ния, в ли­то­гра­фии, фи­зи­ке ион­но­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за, ион­ной те­ра­пии ра­ко­вых опу­хо­лей и др. М. и. пред­став­ля­ют ин­те­рес для прин­ци­пи­аль­ных вы­во­дов кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ки, для оп­ре­де­ле­ния ре­ля­ти­ви­ст­ских эф­фек­тов, в ки­не­тич. мо­де­лях плаз­мы, ос­но­ван­ных на ку­ло­нов­ском взаи­мо­дей­ст­вии М. и. с за­ря­жен­ны­ми час­ти­ца­ми, для ис­сле­до­ва­ния взаи­мо­дей­ст­вия ио­нов с по­верх­но­стью твёр­до­го те­ла, при­во­дя­ще­го к об­ра­зо­ва­нию т. н. по­лых ато­мов, у ко­то­рых боль­шин­ст­во элек­тро­нов на­хо­дят­ся на вы­со­ких уров­нях (вы­со­ко­воз­бу­ж­дён­ные кван­то­вые со­стоя­ния), а ниж­ние элек­трон­ные уров­ни не за­се­ле­ны. М. и. ис­поль­зу­ют­ся так­же для ис­сле­до­ва­ния лэм­бов­ско­го и изо­то­пич. сдви­гов уров­ней, сверх­тон­кой струк­ту­ры уров­ней и др.