[科普中国]-原子能级

原子能级是指原子系统能量量子化的形象化表示。按照量子力学理论，可计算出原子系统的能量是量子化的，能量取一系列分立值；能量值取决于一定的量子数，因此能级用一定的量子数标记。

概念能级取决于原子的电子组态，此外还取决于原子内相互作用的耦合类型，在LS耦合情形下，总轨道角动量、总自旋和总角动量的量子数L、S、J都是好量子数，能级标记为一定的符号。例如：氦原子某能级符号表示为1s2p3p2，其中左边部分1s2p为电子组态，大写拉丁字母分别对应于L=0、1、2、3、…的拉丁字母S、P、D、F…左上角的数值为2S+1，表示多重态的重数，右下角的数值是J值。在磁场中原子磁矩与磁场的相互作用导致能级分裂，还须用相应的磁量子数分别予以标记。

非典型耦合下二价原子能级的精细结构典型耦合(LS及jj耦合)下，二价原子能级的精细结构问题已被解决。然而，一般来说，LS耦合只适用于电子与核之间的磁相互作用远小于电子间静电相互作用( 非有心力部分)的情形；jj 耦合只适用于电子与核之间的磁相互作用远大于电子间静电相互作用( 非有心力部分)的情形。 遗憾的是，许多二价原子的精细结构能级既不归属于LS 耦合也不归属于 jj 耦合。这个问题早已在实验中发现且已总结出许多实验数据。理论上也有一些研究，但多局限于某些具体原子或某几类具体电子组态，没有给出完整的理论体系。相关研究试图在典型耦合理论基础上，给出在非典型耦合下计算二价原子精细结构能级的一般理论，而典型耦合下的结果将作为非典型耦合的特例。

在典型耦合理论基础上，给出了在非典型耦合下计算二价原子精细结构能级的理论公式，并将理论应用到若干具体问题，结果与实验数据相符，且直观地显示出典型耦合只是非典型耦合的特例。1

等离子体屏蔽效应对原子能级的影响研究进展在实验技术的推动下，高电离的高荷离子的实验观测与理论研究重新引起了人们的兴趣，人们在这方面已经开展了不少工作。其中，非常重要的一项工作就是准确地确定元素在等离子体环境中的能级结构和振子强度。这些原子数据在等离子体诊断以及等离子体辐射不透明度研究中发挥着重要作用，比如，Brage等人曾指出具有相同初态且末态能量相近的两个跃迁的振子强度的比值可用于等离子体中局域电子密度的诊断；Rubiano等人曾使用氢的屏蔽模型计算铝的辐射跃迁等原子数据，进而用于铝的辐射不透明度的计算；saha等人也曾提到类Be元素的谱线强度可以用于等离子体的温度和密度的诊断。

实际等离子体中含有大量的自由电子和各个价态的离子，要想准确地计算等离子体屏蔽效应对能级结构和振子强度的影响是很困难的。通常采用的方法是对等离子体环境的作用进行平均从而得出一个较为简单的表达式，进而使得计算过程大大简化。通常用以下两种模型来计算等离子体环境中各个价态离子的特性：第一种是利用考虑了温度效应和密度效应的自洽场模型来求出势函数。但是这种考虑了等离子体屏蔽效应的自洽场需要循环迭代才能求出，如果需要计算大量的原子数据，那么计算时间就会很长。第二种方法是找出考虑了等离子体屏蔽效应的势函数的解析表达式，Debye模型就是其中的一种。它的基本思想是假设考虑了等离子体屏蔽效应的电场势是由球对称的电荷分布决定的，并且假设粒子的动能远远大于粒子之间的势能，粒子在等离子体中的分布满足Boltzmann统计，从而在Debve一级近似下从球对称的Poisson方程得到Debye屏蔽势。自Debye等人于1923年提出Debye模型以来，它在原子分子领域得到了广泛应用。Debve模型不仅能用于计算类氢离子的各种截面、谱线位移和线型，而且经过改进的模型可以用于多电子体系的研究。特别是最近几十年来，人们利用Debve模型做了大量的工作来研究等离子体屏蔽效应对类氢，类氦，多电子体系元素的原子结构的影响。其中，Rubiano等人、Bielinska-Waz等人、Rodrfguez等人、Saha等人考虑了相对论效应对原子辐射特性的影响。但是，对于等离子体中类Be中Z元素原子结构的研究却是很少的。

相关研究利用考虑了等离子体屏蔽效应的全相对论的MCDF(multi—cofiguration Dirac-Fork)模型，通过改
进的GRASP2程序计算了MnXXII-BrXXXII等11个类Be离子的能级结构和振子强度，重点讨论了最低两个组态的2s2一[2s1/2，2p1/2]1和2s2一[2s1/2，2p3/2]1的跃迁，给出了它们在不同等离子体屏蔽条件下的能级和振子强度的变化情况。这两条对等离子体诊断极其重要的谱线都曾在天体物理以及实验室中被人们大量观测到。

理论模型对于复杂的原子，组态相互作用(configure interaction，CI)在原子结构计算中起了非常重要的作用，但在实际计算中，不可能包括所有可能的组态相互作用，通常通过控制电子激发数目来选取组态。在考虑组态相互作用时，只包含了最多只能有两个电子向高能量轨道激发所形成的组态．在用CI方法求解波函数时，在逐步增加组态的过程中如果能级前后的误差小于10-5时，就认为CI已满足精度要求，就不再增加组态了。

事实上，Debye模型并不需要高温条件，只要r值足够大，温度不需要太高，体系也满足Debye近似。但是，当等离子体环境不满足Debve近似时，等离子体屏蔽效应就需要其他的模型来引入，比如离子球模型。幸运的是，一般的高温等离子体都满足此条件。在上面的推导中，只引入了静态屏蔽效应，而忽略了动态屏蔽效应。若要更精确地计算等离子体屏蔽效应对原子结构的影响，就要把上面的各个因素都考虑进来。

结论利用MCDF模型研究了等离子体屏蔽效应对类Be离子的原子结构、跃迁能级、振子强度的影响。计算了MnXXII-BrXXXII等11个类Be离子的最低两个组态的2s2一[2s1/2，2p1/2]1和2s2一[2s1/2，2p3/2]1的跃迁。计算结果表明，在考虑了等离子体屏蔽效应以后，谱线及其相应的振子强度都会出现蓝移现象，并且可以看出蓝移现象对等离子体屏蔽效应是非常敏感的，在一定的温度下，随着电子密度的增加，蓝移会迅速地以近似于指数的形式增加。对于中Z元素来讲，谱线蓝移主要来自于外部环境对核与电子之间相互作用的屏蔽效应上，而外部环境对电子之间相互作用的屏蔽效应是比较弱的。

Debye模型有其适用的范围，它只有在粒子耦合不太强的等离子体中才成立，比如高温低密度的等离子体。除此之外，还要求德拜半径足够大，以至于在德拜半径内能够包含足够多的自由电子。在上述计算中只考虑了静态屏蔽效应，而没有考虑动态屏蔽效应，如果要想进一步研究等离子体屏蔽效应的影响，就很有必要考虑这方面因素的影响。2

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所