научная статья по теме СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ВОЛНОВЫМИ ФУНКЦИЯМИ ДИСКРЕТНОГО И НЕПРЕРЫВНОГО СПЕКТРОВ И ФОРМУЛА ФЕРМИ-СЕГРЕ Физика

Текст научной статьи на тему «СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ВОЛНОВЫМИ ФУНКЦИЯМИ ДИСКРЕТНОГО И НЕПРЕРЫВНОГО СПЕКТРОВ И ФОРМУЛА ФЕРМИ-СЕГРЕ»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 4, с. 531-534

СПЕКТРОСКОПИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

УДК 539.184

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ВОЛНОВЫМИ ФУНКЦИЯМИ ДИСКРЕТНОГО И НЕПРЕРЫВНОГО СПЕКТРОВ И ФОРМУЛА ФЕРМИ-СЕГРЕ

© 2015 г. В. А. Зилитис

Институт математики и информатики Латвийского университета, LV-1459 Рига, Латвия

E-mail: zilitis@latnet.lv Поступила в редакцию 13.10.2014 г.

Обычно одноэлектронные волновые функции дискретного и непрерывного спектров нормируются с использованием разных условий. В настоящей работе рассмотрена основанная на релятивистской теории квантового дефекта нормировка, единая как для дискретного, так и для непрерывного спектров. Нормированные, согласно этой процедуре, радиальные волновые функции вблизи начала координат практически не зависят от квантового числа n, т.е. от энергии. Это иллюстрировано на примере вычисленных методом Дирака-Фока волновых функций валентного электрона для иона Sr+. Получена связь этой нормировки с формулой Ферми-Сегре. Предложена модифицированная формула Ферми-Сегре.

DOI: 10.7868/S0030403415040261

Достаточно широко известно вытекающее из теории квантового дефекта (ТКД) соотношение между квантовыми дефектами дискретного спектра и сдвигом фазы в волновой функции непрерывного спектра (соотношение Ситона [1]). Менее известна связь между амплитудами волновых функций дискретного и непрерывного спектров. Это потому, что волновые функции дискретного и непрерывного спектров обычно нормируются по-разному. В настоящей работе связь между волновыми функциями дискретного и непрерывного спектров исследуется на основе одноканальной релятивистской ТКД [2]. В работе везде, где специально не указано, использована система атомных единиц (e = m = Ь = 1).

УРАВНЕНИЕ ДИРАКА

В ТКД принимается, что поле остова, в котором движется оптический электрон, описывается потенциалом следующего типа:

V(r) = Vo(r) - z/r, (1)

где V0(r) = 0 при r >r0, z-заряд остова. Конкретное выражение для V0(r) в ТКД не рассматривается.

При заданном потенциале (1) большая G(r) и малая F(r) радиальные компоненты релятивистской волновой функции электрона удовлетворяют уравнениям Дирака:

dG(r)/dr + (к/ r) G(r)

(2)

- [2/а + аЕ - а V(г)] Е(г) = 0

йЕ(г)/йг - (к/г)Е(г) + а [Е - V(г)] О(г) = 0

где Е — энергия электрона (без энергии покоя), а — постоянная тонкой структуры, к = —(/ + 1) при ] = I + 1/2 и к = I при ] = I — 1/2.

Для дискретного спектра (Е < 0) функции ОпКг) и Епк(г) должны удовлетворять граничным условиям

вп<(0) = Е„к(0) = о, е„к(«о = Е„к(«о = о (3) и условию нормировки

IG

2(r) + Fl (r )]dr = 1.

(4)

Функции бПк(г) и Епк(г) будут удовлетворять условиям (3) только при дискретных значениях энергии Еп.

Для непрерывного спектра (Е > 0) волновые функции при г > г0 можно представить как линейную комбинацию двух линейно независимых релятивистских кулоновских функций. Коэффициенты в этой линейной комбинации определяются так, чтобы при г ^ °°

О к(Е, г)!

Fk(E , r)

£ ± 1 Sin np cos

pr + y ln2 pr +

- argr(Y + 1 + iy) -^Y + ÖkE)

(5)

где

p = VII (1 + £), £ = 1 + a 2E, Y = л/

к

(a z)2,

1

5 = 2arg

У = Z£/p, к - iz/p

(6)

у- 1У

Нормировка функций (5) соответствует нормировке на б-функцию по энергии Е. Сдвиг фазы бк(Е) в (5) обусловлен некулоновской частью потенциала V0(г) в (1) и для чисто кулоновского поля равен нулю.

о

532

ЗИЛИТИС

(РКД)

(7)

(8)

РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ТЕОРИЯ КВАНТОВОГО ДЕФЕКТА

Релятивистский квантовый дефект определяется [3] следующим образом:

Цк(Е) = п-V п + 7-1К, где п и к — квантовые числа,

у = >/к2 - («г)2, Vп = ге/А, А = ^-/.'„О + е), е = 1 + а 2Еп,

В нерелятивистском пределе (а ^ 0), определенный согласно (7), РКД переходит в

ц ™(/„) = „ - ¿/7-2/:. (9)

Для сдвига фаз 6к(Е) в (5), согласно релятивистской ТКД, в припороговой области энергии имеет место следующая асимптотическая формула (релятивистский аналог соотношения Ситона) [3]:

5к(Е) = л|1к(Е), если 2пу > 1, (10)

где цк(Е) — значение, полученное при экстраполяции квантовых дефектов (7) для Е > 0.

Нормированные релятивистские волновые функции дискретного спектра (Е„ < 0) при г > г0 имеют [2, 3] следующий вид:

где

0„к(г)

Р„к(г)

= +

(1 ±е)( г - Ак)

[_4гг^(Еп)Г(v„ + у + 1)Г(v„ -у +1)

X {{V л+1/2,у (2Аг) + ( + к))-1/2,7 (2А г)},

где

1/2

X (11)

(12)

Нт<

(13)

& пк(г )

Лк(г )

= гп

&пк(г )

Рпк(г )

(14)

t,

= V )/А п,

(15)

то функции (5пк(г) и Епк(г) при п ^ оо будут переходить в соответствующие функции непрерывного спектра. Можно показать, что этот переход подобно (10) будет гладким.

Следует отметить, что в отличие от нормировки (4) единая нормировка (14) для дискретного спектра не имеет прямого физического смысла. Но это показывает связь дискретного спектра с непрерывным спектром и таким образом позволяет связывать соответствующие физические величины, например, силы осцилляторов с соответствующими сечениями фотоионизации.

Рассмотрим изменение значений сил осцилляторов /тп вдоль спектральной серии при фиксированном нижнем уровне т. При приближении к границе серии значения/тп стремятся к нулю, но используя (13), можно получить следующую связь /тп с соответствующим сечением фотоионизации:

Ит т =с т(0),

А

(16)

С(Е) = 1 + (А 3/г)й Цк(Е)/йЕ, Wkm(x) — функция Уиттекера, а у, X, уп, £ определяются по (8). При вычислении производной в (12) цк(Е) следует рассматривать как непрерывную функцию энергии. При г > г0 для потенциала типа (1) волновые функции (11) совпадают с точными решениями уравнения (2), нормированные согласно (4).

Используя выражении (5) и (11), можно получить [2] соотношение

ЙЕ) [(-(г) ]1 = [& к(0, г) ^ Л А3п I ^пк(г) Л {ад г) )'

где &пк(г) и Епк(г) — нормированные согласно (4) функции дискретного спектра, а (&к(0, г) и Ек(0, г) — функции непрерывного спектра для порога (Е = 0). Так как при г > г0 функции (11) совпадают с точными решениями уравнений (2), то соотношение (13) будет справедливо для таких решений при любых г. Поэтому, если мы функции дискретного спектра ( и Е перенормируем следующим образом:

где X определен в (8), г — заряд остова, q = 2п2а, если сечения фотоионизации измеряются в атомных единицах, и q = 4.0335 — если в мегабарнах (10-18 см2).

ФУНКЦИИ ДИРАКА-ФОКА

На примере одноэлектронных радиальных волновых функций, вычисленных методом Дирака-Фока (ДФ), т.е. релятивистским методом самосогласованного поля с корректным учетом обмена, можно показать, каким образом сходимость (13) практически происходит. Хотя уравнения ДФ имеют обменные члены, но при достаточно больших значениях г уравнения ДФ для валентного электрона практически совпадают с уравнениями (2).

Нами методом ДФ были вычислены волновые функции &пк(г) и Епк(г) валентного электрона для иона 8г+ в состояниях тх/2 (п = 5—10) дискретного спектра и для несколько значений энергии Е > 0 в непрерывном спектре [4]. На рис. 1 приведены графики нормированных согласно (4) функций &пк(г) для состояний 6^/2 и 10^/2 иона 8г+. Как видно, графики этих функций заметно отличаются во всем интервале изменения г. Из-за различии в масштабах графики функций непрерывного спектра на этом рисунке не приведены.

Мы провели перенормировку этих функций согласно (14). На рис. 2 показаны графики (тпк(г) для состояний 6^1/2, 10^1/2 и для Е = 0.1 Яу иона 8г+. Интересно, что все эти функции в начале (до 3-го максимума) практически совпадают. При росте п это совпадение сдвигается в сторону хвоста волновых функций. На рис. 3 показаны изменения первых трех максимумов (минимумов) в зависимости от энергии. Видно, что эта зависимость

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ВОЛНОВЫМИ ФУНКЦИЯМИ 533

О(г)

0.02

0 1

- V г Х7 \

-0.02 - 1

-0.04 I |

1642 7173 г

Рис. 1. Графики нормированных согласно (4) волновых функций ДФ О(г) для иона 8г+, использованы релятивистские единицы, масштаб по г — логарифмический: 1 — 6^1/2, 2 — 10^1/2.

Рис. 2. Графики нормированных, согласно (14), волновых функций ДФ О (г) для иона 8г+, использованы релятивистские единицы, масштаб по г — логарифмический: 1 — 6^1/2, 2 — 10^1/2, 3 — непрерывный спектр Е = 0.1 Ry.

тах\в(г)\

-0.8

-0.4

0.4

Е, Яу

3

2

2

1

1

0

Е, Яу

Рис. 3. Зависимость нормированных согласно (14), максимумов функций шах|О(г)| от энергии Е для ^-состояний иона 8г+: 1 — первый максимум, 2 — второй максимум, 3 — третий максимум.

весьма слабая. Для более точного определении максимумов была использована квадратичная интерполяция.

Такой же эффект имеет место и для малой компоненты Епк (г). Аналогичные результаты были получены также для пР- и пД-состояний иона 8г+.

Значение множителя £(Е) (12) обычно близко к единице. Чтобы проверить влияние этого множителя на нормировку (14), мы провели расчеты также и без учета этого множителя, т.е. в формуле (15) полагая £ = 1. На рис. 4 в более крупном масштабе показано изменение первого максимума функции Сгпк (г) в зависимости от энергии Е для состояний 51/2 иона 8г+. Из этого рисунка видно,

Рис. 4. Влияние учета множителя ^(Е) в формуле (15) на нормировку (14). Зависимость от энергии первого максимума функций О (г) для ^/2-состояний иона 8г+: 1 — с учетом ^(Е) по (12), 2 — без этого учета (£ = 1).

что учет £(Е) по (12) обеспечивает более гладкий переход от дискретного спектра к непрерывному.

НЕРЕЛЯТИВИСТСКОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ

Вся рассмотренная процедура применима и в нерелятивистском приближении. В этом случае в формулах следует формально положить а ^ 0. Для дискретного спектра единая нормировка тогда определяется следующим образом:

рщ (г) = ^Рщ (г), (17)

где

1п = , (18)

534 С

ЗИЛИТИС

Х9(24)

е мо те е 1 — d|/dn 1(E) фо (25), — от о те от оет

г

Атом о Те м (1 - d|Vdn) [6] —1(E) , %

Na I 3s2S1/2 1.0325 1.0336 0.11

K I 4s2S1/2 1.0617 1.0655 0.36

Rb I 5s2S1/2 1.0806 1.0869 0.58

In III 5s2S1/2 1.124 1.1398 1.41

Cs I 6s2S1/2 1.1014 1.1085 0.65

La III 6s2S1/2 1.08 1.0909 1.01

Z(E) = 1 + (z 2/n*)d |(E)/dE, n* = z /V - 2E„,

(19)

J P2) (r)dr = 1,

(20)

0

е е е оот ет т е о е

е. По о (19) ееоо

т , о ом

фе то | о омом.

По ооэето оо

оо g е-то X е-

ф

(21)

о

о

ОР ЛА ЕР И-СЕ РЕ

Р мот е фо м о

s- о то ом о о еф т от

о м о те е

е м -Се е. Р мот е е о о

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком