[科普中国]-自电离

定义

自电离是任何光谱学不可分割的方面，它涉及原子从分立激发态到一个连续态的自发跃迁。自电离的概念是首先由申思通引进的。只要在电离极限以上存在连续能级和分支能级，就可以观察到自电离。

自电离过程自电离过程发生在散射过程中，当激发两个或多个电子时，使得分立能级可以高于第一电离限，其能级可以与具有相同宇称和总角动量的连续态相互作用，从而使得能级加宽，使得电子无辐射跃迁到连续态而发生自电离。图给出了处于分立态和连续态的原子的多电子激发能级以及自电离过程示意图。

自电离包括两个能级系统的重叠：分立能级与连续能级的重叠。在电离极限以上的任何能级都是短寿命的（10秒），因为它的寿命主要取决于电离过程（非辐射跃迁）。因此相应的谱线很漫或者光谱完全不存在。非辐射跃迁几率越大，谱线越宽。当能级的分布适合时，未必发生自电离；它的发生取决于严格的选择定则。1

研究原子(离子)自电离态的意义（1）自电离态对研究原子的内部结构和粒子间相互作用的微观动力学过具有重要的意义。

（2）在等离子体物理研究中自电离过程是等离子体中双电子复合过程的逆过程，因此自电离过程对于等离子体物理的研究具有重要的意义和价值。

（3）在激光器的研究中，对于无粒子数反转激光器，自电离过程是重要的候选机制之一，因此自电离过程对新型激光器的研究开发具有重要的价值。

（4）自电离的数据在激光分离同位素技术和受控核聚变技术具有重要的应用价值。

散射过程和自电离高能粒子与原子的碰撞过程中高能粒子运动方向发生偏转的过程称为散射过程。在散射过程中如果只有动能交换，粒子内部状态并无改变则称这种散射为弹性散射，若散射过程中粒子内部状态有所改变（例如原子被激发或者被电离）则称之为非弹性散射，所以散射过程主要包括以下两种方式：（1）高能离子与原子的碰撞过程，其中最著名的是卢瑟福a离子散射实验（弹性散射）；（2）电子与原子（离子）的碰撞，其中最著名的是Franck-Hertz通过电子对水银蒸气的散射实验（非弹性散射），证明了波尔关于原子定态理论的假设。

在非弹性散射过程中，一般讨论电子与原子（或离子）的非弹性散射过程，电子会吸收能量，从而使得原子的能量状态发生变化。在这个过程中当自由电子的能量满足时，离子吸收自由电子的能量从初态E1激发到末态E2这个过程称为直接碰撞激发。电子在和原子（离子）碰撞的过程中会将原子（离子）由基态激发到激发态以及自电离态。

处于不同能量的原子具有不同的能级。原子的能级可以分为基态、激发态、高激发态、自电离态等。基态指的是原子中的电子所能存在的最低能量状态。激发态指的是原子或者离子吸收一定的能量后，电子被激发到能量高于基态但尚未电离的状态，激发态是短寿命的，很容易返回到基态，同时放出多余的能量。高激发态指的是能量轨道比较高的激发态，它的结构是由原子或者离子实与实外处于主量子数n很大的轨道上的一个电子组成的，通常叫做Rydberg态。自电离态指的是能量处于第一电离限上的电子激发态，结构与Rydberg态相似，这也是一种分离态，处于自电离态上的原子或者离子，可以通过自电离跃迁到连续态上。通过对自电离态的分析，研究可以得到原子的结构特点，因此它有非常重要的研究意义。2

里德堡原子的自电离里德堡原子的自电离主要是由于黑体辐射以及里德堡原子间的碰撞引起的，很多实验都对里德堡原子向超冷等离子体的演化机制进行了研究。在处于吸引势的里德堡原子中，原子间主要表现为吸引的相互作用，尤其在热运动很微弱的超冷低温的环境中，会大大增加原子有效碰撞的几率，导致里德堡原子发生自电离现象。

但是对处于排斥势的里德堡原子仍然会发生自电离现象，这个有趣的现象激起了许多科研工作者的兴趣。实验表明，黑体辐射引起的直接电离、和由于原子间势能变化引起的碰撞，都会使原子发生自电离现象。这个过程中会产生少数自由电子。由于电子的质量很小，所以速度很大。它们一部分会直接逃离原子云，从而使其余的正离子形成一个可束缚自由电子的空间正势阱。另一部分自由电子被势阱俘获，与周围的热原子或其它里德堡原子发生激烈碰撞，发生更加剧烈的电离，产生大量自由电子和正离子，即雪崩电离现象。此时由于逃逸的电子数目急剧增加，也会使一得势阱急剧加深。当势阱深度足以束缚所有被电离出来的电子时，势阱中即为带电正离子与自由电子的混合体，至此，超冷等离子体形成。整个演化及形成的简要过程如图所示。

超冷等离子体的温度范围在约100μK~1mK之间。在极低的温度下，等离子体中带电粒子间的相互作用势能将远大于离子的热平均动能，多体相互作用占主要地位，等离子体将会进入强藕合区域3，将会表现出多体关联性及相跃迁等奇特性质。届时，经典等离子体物理中的一些基本假设及定律将不再适用于新的环境中，需要发展新的理论来描述超冷等离子体中带电粒子的行为，这在物理学中又翻开了新的篇章。4

光与原子的相互作用过程对于处于不同能量状态的原子，当光与原子相互作用时，原子可以被激发、电离、同时光子也可能被原子吸收。光与原子的相互作用过程又和原子的能级结构有着非常大的联系，因此说研究光与原子的相互作用对了解原子的结构有着重要的意义。

在光与原子的作用过程中，光电离非常重要的机制之一。光电离是指原子（或离子）吸收一个光子后放出一个电子的过程。人们对光电离的研究开始于100多年以前，在1887年赫兹证实电磁波的实验过程中，发现当金属电极受到紫光照射时，会发射出电子，即光电效应。1905年爱因斯坦推广了普朗克的黑体辐射理论，引入光量子的理论从而合理的解释了光电效应。人们对光与原子的相互作用过程的研究对量子力学的建立起着至关重要的作用，同时光与原子的相互作用也为研究原子物理学提供了一个非常好的途径。因此研究光电离过程也具有非常重要的理论意义和实际应用价值:

（1）在天体物理、等离子体物理、大气科学、辐射物理和化学等学科需要大量的关于原子粒子的光电离截面参数，研究天物理体和等离子体物理不透明度的研究过程中光电离截面也是一个非常重要的基本参数。通过对光电离截面的研究得到的自电离宽度在模拟等离子体的投射谱过程中具有重要的应用。

（2）光电离过程是研究原子、离子中的电子关联效应、相对论效应、通道祸合效应、Fano干涉和轨道塌缩等物理过程的重要方法。因此关于原子的光电离研究也一直是原子物理学的一个重要研究方向。

（3）原子内壳层光电离是产生X射线激光的重要机制之一。此机制可以得到超短波长（小于2nm）X射线激光。而传统的电子碰撞复合与电子碰撞激发机制产生的X射线激光很难以突破2nm，所以内壳层光电离对超短波长（小于2nm）X射线激光的研究具有重理论和应用价值。5