МНОГОЗАРЯ́ДНЫЕ ИО́НЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
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 Xq+, где X – символ атома в периодич. системе химич. элементов, q – заряд иона. Обычно ионы Xq+ называют многозарядными при q>5 (напр., C6+,Fe24+,U28+) 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.