Таблицы атомных и молекулярных параметров

В аттосекундной физике точность измерений и расчетов определяется качеством исходных данных о атомных и молекулярных параметрах. Эти таблицы являются фундаментальными для моделирования динамики электронов, расчета спектров высоких гармоник, оценки временных характеристик ультракоротких импульсов и взаимодействия света с веществом на аттосекундных масштабах.

Энергетические уровни атомов и ионов

Энергетические уровни определяют возможные переходы электронов между состояниями и служат основой для расчета частот излучения и поглощения. В таблицах указываются:

  • Главное квантовое число n – определяет энергетический уровень.
  • Орбитальное квантовое число l – характеризует форму орбитали.
  • Спиновое квантовое число s – учитывает спин электрона.
  • Энергия уровня En в эВ или Дж.
  • Ионизационный потенциал Ip – энергия, необходимая для удаления электрона из атома или иона.

Пример для водорода:

Уровень n Энергия En (эВ) Ионизационный потенциал Ip (эВ)
1 -13.6 13.6
2 -3.4 13.6
3 -1.51 13.6

Для сложных атомов и ионов используются таблицы NIST с более детализированными уровнями, включая тонкую структуру и спиново-орбитальное расщепление.

Электронные переходы и вероятности излучения

Эти параметры крайне важны для оценки временной динамики возбуждения и релаксации:

  • Длина волны перехода λ – определяет частоту фотона ν = c/λ.
  • Энергия перехода ΔE – разница между уровнями.
  • Вероятность спонтанного излучения Aij – с^-1.
  • Поперечное сечение поглощения σ – м², для оценки взаимодействия с импульсами света.

Пример для водорода (переход 2p → 1s):

Переход Длина волны λ (нм) Энергия ΔE (эВ) Aij (с^-1)
2p → 1s 121.6 10.2 4.7 × 10^8

Молекулярные параметры

Для молекул важны не только электронные уровни, но и колебательные и вращательные состояния. Основные параметры:

  • Энергия колебательных мод Ev – см^-1 или эВ.
  • Энергия вращательных уровней EJ – определяется моментом инерции.
  • Постоянные связей k – жесткость химических связей.
  • Дипольные моменты μ – для взаимодействия с электромагнитным полем.
  • Вероятности переходов (Frank-Condon факторы) – для оценки интенсивности спектров.

Пример для молекулы CO:

Мод v Энергия Ev (см^-1) Постоянная k (Н/м) Дипольный момент μ (D)
0 0 1900 0.11
1 2170 1900 0.11

Сечения и скорости фотоэффекта

Для расчета взаимодействия с ультракороткими импульсами необходимо знать параметры ионизации и рассеяния:

  • Фотоионные сечения σph – м², как функция энергии фотона.
  • Кросс-сечения рассеяния σsc – для упругого и неупругого рассеяния.
  • Энергии ионизации Ip – для каждого электронного уровня.
  • Временные константы релаксации τ – для оценки динамики электронов.

Пример для водорода:

Уровень Ip (эВ) σph (м²) при 20 эВ τ (fs)
1s 13.6 6 × 10^-22 0.5

Постоянные атомов и молекул

Для высокоточных расчетов в аттосекундной физике применяются:

  • Эффективные массы электронов m*
  • Энергетические расщепления (fine и hyperfine)
  • Магнитные моменты μB
  • Поляризуемость α – для расчета взаимодействия с внешним полем.

Пример постоянных для водорода:

Параметр Значение
Электронная масса me 9.109 × 10^-31 кг
Поляризуемость α 0.667 × 10^-30 м³
Магнитный момент μB 9.274 × 10^-24 Дж/Тл

Практическое использование таблиц

  1. Моделирование ультракороткой динамики: точные энергии и вероятности переходов позволяют симулировать временные траектории электронов с аттосекундной точностью.
  2. Проектирование экспериментов с лазерами: знание сечений фотоэффекта и дипольных моментов необходимо для оптимизации интенсивности и длительности импульсов.
  3. Спектроскопические измерения: использование Frank-Condon факторов и колебательных уровней позволяет интерпретировать спектры высоких гармоник и ионизационных спектров.
  4. Квантовая химия и моделирование молекул: постоянные связей и моменты инерции позволяют предсказывать динамику и колебательные спектры молекул при воздействии экстремально коротких импульсов света.

Эти таблицы служат ядром расчетов и экспериментальных подготовок в аттосекундной физике, обеспечивая точность и воспроизводимость исследований.

Оглавление