Графические представления спектральных данных атомов и молекул тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат технических наук Яценко, Алексей Степанович

• Яценко, Алексей Степанович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Яценко, Алексей Степанович

I. Введение.

II. Содержание. Графические представления спектральных данных атомов и молекул.

Глава 1. Графические представления атомных систем.

1.1. Дискретная последовательность уровней.

1.2. Простая схема атома водорода.

1.3. Особенности электронного строения атома.

1.4. Эволюция графического представления атома.

1.5. Диаграммы В.Гротриана.

1.6. Электронные представления атомов в современном виде.

1.7. Поиск новых графических представлений атома.

1.8. Диаграммы Гротриана в университетской программе США.

1.9. Совмест ные разработки японских и американских ученых.

Глава 2. Предлагаемые автором виды диаграмм.

2. ЪПредставление электронных конфигураций.

2.2. Комбинации четных и нечетных состояний.

2.3. Использование геометрических образов.

2.4. Достоинства и недостатки предлагаемых диаграмм.

Глава 3. Использование диаграмм, предложенных автором.

3.1. Технические и методические применения.

3.2. Применимость диаграмм к двухатомным молекулам.

3.3. Рекомендации по применению диаграмм.

Глава 4. Вопросы программного обеспечения.

§ 4.1. Общие положения.

4.2. Структура данных.

4.3. Преимущества информационной программы «Электронная структура атомов».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Графические представления спектральных данных атомов и молекул»

Простые диаграммы могут дать большую информацию.» Ш. Мур.

В работе каждого исследователя важное место занимает сбор и анализ информации по свойствам определенных физических систем. В случае газовых или плазменных систем эта информация относится к параметрам атомов, молекул и их ионов различной кратности, а также характеристикам энергетических переходов. Для любого специалиста представляет интерес не только значение определенного параметра, но и точность и надежность его получения. Такие данные могут быть зафиксированы в табличной или графической форме.

К 1913 г. спектроскопия накопила обширный фактический материал о частотах спектральных линий в излучении и поглощении. Подводя итоги «. 60 лет работы, выразившейся в пятнадцати тысячах исследований», Д. С. Рождественский в 1915 г. писал: « Все элементы получили свою характеристику в списках спектральных линий, . списки эти почти исчерпаны. Длины волн измерены иногда с поражающей точностью., установлены эмпирические зависимости между длинами волн спектральных линий» [1].

Частоты линий также с «поражающей точностью» подчиняются формуле Ридберга v,, = Г,(л,) - 7;(и,), rW-t * (1)

0 + а + (5 / и')' где п - целое число, R, а, Д - постоянные. Величина Т(п) получила название «спектральный терм», а потом, когда этимология забылась, - просто «терм» от английского term - член, слагаемое). Н. Бор связал терм с энергией стационарного состояния атома, а соотношению (1) придал смысл закона сохранения энергии при радиационном переходе атома из одного стационарного состояния в другое.

При изучении спектров термы имеют гораздо большее значение, чем спектральные линии, поскольку последние можно рассчитать с помощью термов. Многообразие линий значительно богаче, чем сравнительно простое многообразие термов, которое собственно и отражает индивидуальные особенности того или иного атома. Однако извлечь спектральные серии (]) из таблиц частот линий чрезвычайно сложно. В обзоре [2] Г.С. Ландсберг в этой связи пишет: «Недаром Пашен говорит, что безнадежно пытаться найти серию, рассматривая таблицы спектров, «если только не быть Ридбергом»». И вот здесь существенную роль сыграли графические методы анализа.

Известно, что в классической физике весьма популярны графики, показывающие самые разные зависимости, например, зависимость потенциальной -энергии взаимодействия от расстояния IJ(x). Глаз мгновенно схватывает особенности графика, и для формирования .качественной картины это часто бывает полезнее, чем анализ явного выражения для U(x). -Недаром установились термины (а словарный состав языка отражает существо дела!) «потенциальная яма», «потенциальный барьер», «точка поворота» и т.д. явно навязанные геометрическими образами.

Вполне аналогичную познавательную роль сыграли графические построения в атомной спектроскопии. Точные и обширные данные о спектрах конечно же удобно иметь в виде таблиц. Однако схема уровней хороша для общей ориентировки в электронном строении атомной системы. Такой схемой в атомной спектроскопии являются диаграммы Гротриана, основное назначение которых - дать наглядное представление о распределении возбужденных состояний по электронным конфигурациям атомов и отметить наиболее интенсивные переходы в наблюдаемом спектре излучения или поглощения.

Данная работа посвящена продолжению анализа и усовершенствованию атомных и молекулярных систем в графическом представлении. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы.

Первая глава носит обзорный характер. Рассмотрены основные требования к графическим построениям атомных систем, их особенности, эволюционное развитие диаграмм от самых первых до современных представлений. Отмечены как положительные, так и отрицательные моменты.

В главе 2 излагаются основы представления диаграмм для атомных систем, предложенных автором. Рассмотрены три вида диаграмм для различных связей квантовых чисел в атомах- (LS, jj, jt) Размещенная на одной странице, диаграмма дает полную информацию об электронном строении атомных систем - конфигурации электронных состояний, уровнях энергий, квантовых числах, основных переходах. Для качественного построения на диаграммах -уровней и переходов выбраны схема граф-дерево, оптимальное расположение четных и нечетных конфигураций и прямоугольник «золотого сечения». Отмечены как достоинства (размещение на одной странице, построение для большинства химических элементов и их ионов) так и недостатки (точно не определено положение уровней, ограничено число переходов до 20 - 25 линий на элемент) предлагаемых диаграмм.

В главе 3 обсуждаются вопросы практического использования диаграмм широким кругом специалистов. Они применены для решения ряда физических, технических, методических и других задач. Опыт построения диаграмм для атомных систем был использован и по отношению к форме изложения спектроскопической информации для двухатомных молекул (эксимеров. ди-меров, атмосферных газов). В первую очередь предлагаемые диаграммы предназначены для физиков, инженеров и студентов, занимающихся вопросами атомной и молекулярной спектроскопии, электрического разряда, плазмы, магнитной гидродинамики, квантовой электроники и астрофизики.

В главе 4 обсуждаются вопросы программного обеспечения для представления атомных систем в графическом виде и создания базы данных. Анализируются существующие за границей примеры создания (в основном табличных и редко встречающиеся графические) данные по атомным спектрам. На основе управляемой программы «Лемма» (НГУ) построена информационная система «Электронная структура атомов», позволяющая графически представить полную атомную структуру на примере атома Be I.

В приложении представлена и описана диаграмма классов и связей между ними в СУБД «Лемма».

Практическая значимость работы носит как методологический, так и методический характер. Получены акты об использовании предлагаемых диаграмм в ИЯФ СО РАН, ИФП СО РАН, ИОА СО РАН, ИФ СО РАН.

Основное содержание работы отражено в 18-и различных публикациях -книги, статьи, препринты, непериодические издания. Результаты работ докладывались на семинарах различного уровня, стендовым докладом на XXYII Международном коллоквиуме по спектроскопии (Норвегия, 1991 г).

На защиту выносятся следующие положения: системный анализ оптических спектров атомных и молекулярных систем:

- методы построения диаграмм для атомов, молекул и их ионов,

- схемы (диаграммы Гротриана) энергетических уровней и переходов атомных систем в зависимости от сложности их электронного строения;

- графическое представление электронной структуры двухатомных молекул.

Список обозначений

1. Атомы:

Терм основного и возбужденного состояния в LS- связи - lSo, 1P°i Терм возбужденного состояния в jj- связи - (1/2, 3/2)2° Терм возбужденного состояния в /7- связи - [3/2]°у

2. Двухатомные молекулы:

Энергия электронного терма - Те Энергия колебательного кванта - сое Постоянная энгармонизма - (йеХе Вращательная постоянная -Ве

Параметр колебательно-вращательного взаимодействия - ае Символы термов - X, А, В. а, Ь, с . Энергия диссоциации - Д, Равновесное расстояние между ядрами - ге

II. Основная часть. Графические представления спектральных данных атомов и молекул

Заключение диссертации по теме «Оптика», Яценко, Алексей Степанович

III. Заключение. Основные выводы.

В заключении приведены следующие основные результаты диссертации:

1. Разработан метод составления диаграмм энергетических уровней и радиационных переходов, включающий электронные конфигурации, атомные остатки и квантовые числа различных состояний электрона в атоме. По сравнению со схемами Гротриана предлагаемые диаграммы содержат большую информацию. В отличие от схем Башкина и Стонера (США) диаграммы размещены на одной странице, поэтому более кратки, наглядны и удобны в работе.

2. Разработаны три вида диаграмм в зависимости от схемы сложения угловых моментов, в которых учитываются все электронные конфигурации, атомные остатки, термы, значения полного момента /, основные радиационные переходы.

3. Составлены диаграммы для большинства химических элементов таблицы Д.И. Менделеева, включая атомы и ионы различной кратности (в том числе для большей части переходных, всех редкоземельных и трансурановых и их ионов диаграммы построены впервые).

4. Построены диаграммы для электронных переходов двухатомных молекул (эксимеры, димеры и атмосферные газы), по димерам такая информация представлена для большинства элементов периодической таблицы.

5. Создан прототип информационной i системы, обеспечивающей хранение, обработку и представление табличных данных об электронном строении атомов в графическом виде.

Результаты данной работы использовались практически в институтах физического профиля ИЯФ СО РАН, ИОА СО РАН, ИФ СО РАН, ИФП СО РАН, о чем подтверждено актам об использовании.

В заключении автор выражает благодарность научным руководителям С. Г. Раутиану и Д.А. Шапиро, рецензентам Б.А. Князеву и И.И. Рябцеву, соавторам В.Е. Прокопьеву, Б.М. Смирнову, Г.Г. Телегину и коллективу лаборатории физики лазеров за полезные обсуждения и помощь в работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Яценко, Алексей Степанович, 2003 год

1. Рождественский Д. С. « Простые соотношения в спектрах щелочных металлов «. В сб. «Работа по аномальной дисперсии в парах металлов» (под ред. С. Э. Фриша). - М.: Изд. АН СССР , 1951, С. 145.

2. Ландсберг Г. С. Спектральные формулы и их графическое изображение. // УФН 1925 - Т. 5, С. 379.

3. Бор Н. Три статьи о спектрах и строении атомов. М,- Пг.: Госиздат, 1923.

4. Собельман И. И. Введение в теорию атомных спектров. М., Физмат-гиз, 1963; Наука, 1977. - 320 с.

5. Фриш С. Э. Оптические спектры атомов. М., Физматгиз, 1963. - 640

6. Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М., Физматгиз, 1962. - 892 с.

7. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. М.-Л., Гостехиз-дат, 1949; Наука, 1989 (4 изд). - 704 с.

8. Рождественский Д. С. Значение спектральных линий. / Избранные труды. -М.-Л., Наука , 1964, С. 66.

9. Гротриан В. Методы анализа сложных спектров, в частности, спектра железа. // УФН 1925 - Т. 5, N 3 - С. 186, 1 89.

10. Grotrian W. Graphische Darstellung der Spektren von Atomen und Ionen mit ein, zwei und drei Valenzelektronen. Berlin, 1928, J. Springer, Bd. 2.

11. Борн M. Современная физика. -JI.-M.; ОНТИ, 1935.

12. Бете Г. Квантовая механика простейших систем. JI.-M.: Гостехиз-дат, 1935.

13. Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. М., ГИТТЛ, 1927; Гос-техиздат, 1956. В 2-х томах.

14. Фриш С. Э. Атомные спектры. JI.-M.: Гостехиздат, 1933. - 436 с.

15. Кондон Е., Шортли Г. Теория атомных спектров (пер. с англ.) М., ИЛ, 1949.-440 с.

16. Герцберг Г. Атомные спектры и строение атомов (пер. с англ.). М., ИЛ, 1948. - 280 с.

17. Martin W., Zalubas R., Hagan L. Atomic Energy Levels the rare-earth Elements. - US, NBS, NSRDS- NBS 60 - Washington, 1978. - 416 p.

18. Стриганов A. P., Лобиков E. А. Эмиссионные спектры и энергети -ческие уровни нейтрального атома и первого иона кюрия. М., Энер-гоатомиздат, 1991. - 185 с.

19. American Institute of Physics Handbook. Mc Graw-Hill New-York, -USA, 1963. - 7-13 p.

20. Справочник по лазерам (пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова). В 2-х томах. Том 1 - М., Радио, 1978, С. 80.

21. Moore Ch., Merrill P. Partial Grotrian Diagrams of Astrophysical Interest. US, NBS, NSRD-NBS 23 - Washington, 1968.

22. Yokosawa M., Matsuzaki H., Kamegaya Т., Nakajima M. Grotrian Charts of Neutral and Singly Ionized Rare Gases in a Vacuum UV-region. -( NHK Laboratories, ser. 183 ) Tokyo: NHK Laboratories note, 1974.

23. Bashkin S., Stoner J. Atomic Energy Levels and Grotrian Diagrams. -Vols. 1- 4. Amsterdam: North-Holland Publ. Co - 1975-1982.

24. Moore Ch. Atomic Energy Levels and Grotrian Diagrams (Vol. 1). // JOSA 1976 - Vol. 66, N 8 - P. 869-870.

25. Moore Ch. Atomic Energy Levels. US, NBS, NSRDS-NBS 35 - Washington, 1971 - Vols. 1-3.

26. Huang K.-N. Atomic Energy Levels and Grotrian Diagrams of Iron. -North-Holland, Amsterdam, 1999.

27. Прокопьев В. E., Яценко А. С. Диаграммы Гротриана нейтральных атомов /Препринт ИАиЭ № 160 Новосибирск, 1981.- 52 е.; Электронные состояния и радиационные переходы нейтральных атомов.

28. Препринт ИАиЭ № 161 Новосибирск, 1981. - 52 с.

29. Стриганов А. Р. // Препринт ИАЭ 2965. - Москва, 1978.

30. Bleise J., Fred М., Gutmacher R. Term analysis of the spectrum of neutral plutonium Pu I . //JOSA- 1986 Vol. 3 B, № 3 - P. 403 - 418.

31. Корлисс Ч., Бозман У. Вероятности переходов и силы осцилляторов 70 элементов. М., Мир, 1968. - 562 с.

32. Стриганов А. Р., Свентицкий Н. С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов. М., Атомиздат, 1966. - 900 с.

33. Одинцова Г. А., Стриганов А. Р. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов. М., Энергоиздат, 1982. - 312 с.

34. Payling R., Larkins P. Optic Emission Lines of the Elements. N.-Y., Willey, 2000.-760 p.

35. Берж К. Теория графов и ее применения (пер. с франц. ). М., ИЛ, 1 962.

36. Большой Энциклопедический Словарь. Математика (под ред. Ю. В. Прохорова) М„ БРЭ, 1998, С. 219.

37. Летохов В. С. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах. М., Наука, 1983. - 408 с.

38. Раутиан С. Г., Яценко А. С. Диаграммы Гротриана. // УФН 1999Ш- Т. 169, №2-С. 217-220.

39. Яценко А. С., Косолобов С. Н., Ржанов А. В. и др. Лазерные мето -ды очистки материалов электронной техники; Обзоры по электронной технике. Серил 6. Материалы. Вып. 1 (1007) - М.: ЦНИИ «Электроника», 1984.

40. А. С. № 1 316 304 СССР. Способы нанесения тонких пленок. / Богатырев В. А., Щекочихин Ю. М„ Яценко А. С. 1987 (1982).

41. Бетеров И. М., Яценко А. С. Методы диагностики молекулярных пучков./ Препринт ИАиЭ № 439 Новосибирск, 1991.

42. Денисов А. Г., Закурдаев И. В., Черняк Е. Я., Шерозия Г. А. Перспективы использования оптических методов анализа в технологических процессах. //Электронная промышленность 1982 - № 10-11 - С. 75 -78.

43. Хапов Ю. И., Яценко А. С. Электронные состояния и радиационные переходы эксиплексных молекул. /Препринт ИАиЭ № 261- Новоси -бирск, 1985. 36 с.

44. Смирнов Б. М., Яценко А. С. Димеры металлов./ Препринт ИАиЭ № 309 Новосибирск, 1986; Химия плазмы - М., Атомиздат, 1987 - Вып. 14, С. 31-65; Reviews of Plasma Chemistry (Ed. В. M. Smirnov) - N.-Y., Consultant Bureau, 1993 - Vol. 1, P. 31-65.

45. Смирнов Б. M., Яценко А. С. Свойства димеров. // УФН 1996 - Т. 166, N 3 - С. 225-246.

46. Смирнов Б. М., Яценко А. С. Дим еры. Новосибирск, Наука, 1997. - 148 с.

47. Герцберг Г. Спектры и строение двухатомных молекул (пер. с англ.).-М., ИЛ, 1949.

48. Хьюбер К.-П., Герцберг Г. Константы двухатомных молекул. В 2-х частях. М., Мир, 1984.

49. Телегин Г. Г. Яценко А. С. Электронные состояния и радиационные переходы молекул атмосферного газа. / Препринт ИАиЭ № 374 Новосибирск, 1988. - 52 с.

50. Телегин Г. Г., Яценко А. С. Оптические спектры атмосферных газов. Новосибирск, Наука, 2000. - 240 с.

51. Зуев В. Е., Макушкин Ю. С., Пономарев Ю. Н. Спектроскопия атмосферы. -Л., Гидрометеоиздат, 1987.

52. Атмосфера Солнца, межпланетная среда, атмосфера планет. Сб. научных трудов ИЗМИРР / под ред. Р. А. Гуляева М., 1989.

53. Окабе X. Фотохимия малых молекул (пер. с англ.). М., Мир, J981.

54. Ораевский А.Н. и др. // Квантовая электроника 1998 - Т. 28, № 7 -С. 601-605.

55. Смирнов Б. М. Процессы в плазме и газах с участием кластеров. //УФН 1997 -Т. 167, № 11 - С. 1169- 1200.

56. Ионов С.П., Кузнецов Н.Т. // Коорд. химия 2001 - Т. 27, № 9 - С. 667-671.

57. Дирак П. А. М. Основы квантовой механики. ^ М.-Л.: ОНТИ Гостех-издат, 1932, 320 с.

58. Марх А. Основы квантовой механики. М.-Л.: Гостехиздат, 1933.

59. Фок В. А. Начала квантовой механики. Л., Изд. ГОИ, 1932; М., Наука, 1976. - 376 с.

60. Ферми Э. Квантовая механика (пер. с англ.). М., Мир, 1968. - 368 с.

61. Шифф Л. Квантовая механика (пер. с англ.). М., ИЛ, 1957. - 475 с.

62. Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. М.-Л., Гостехиздат, 1949; М„ Высшая школа, 1961. - 512 с.

63. Вихман Э. Квантовая механика (пер. с англ.). М., Наука, 1974.

64. Fuhr J., Lesage A. Bibliography оп Atomic Line Shapes and Shifts. US Dep. Comm., - NIST Special Publication Supp. 4. - Gaitliersburg, 1993; Supp. 5 - 1999.

65. Kramida A., Martin W. A compilation of energy levels and wavelengths for beryllium. // J. Phys. and Chem. Ref. Data. 1997 - Vol. 26, № 51. P. 1185-1194.

66. Казаков В. Г. Исследование, разработка и применение курсового # обеспечения с использованием мультимедиа технологий в учебномпроцессе Вуза. Диссер. кандидата физ-мат наук. - Новосибирск, НГУ, 1999.1. Постановка задачи

67. С развитием информационных технологий появилась возможность строить графическое представление динамически, отвечая потребностям пользователя.

68. В Интернет существует несколько ресурсов по атомам и ионам, но это либо коммерческие закрытые электронные справочники типа http:www.atomicengineeringcorp.com, либо ресурсы, не имеющие представления в виде диаграмм Гротриана http:physics.nist,gov.

69. Целью данной работы является построение информационной системы (ИС), обеспечивающей хранение, обработку, представление данных об электронном строении атомов и открытый доступ по сети Интернет. Система должна обеспечивать следующие возможности:

70. S Наличие дополнительной информации, такой как библиографические ссылки или же полнотекстовые научные статьи, комментарии к выводимым данным, другая справочная информация.

71. Такая система должна в достаточной мере обеспечить специалистов необходимой информацией.2. Проектирование системы

72. СУБД ЛЕММА как основа построения информационной системы

73. Макросы описания подстановок в текст учебной единицы данных других объектов системы, используются при формировании объектов ресурса.22. Модель данных

74. Для полноты и более легкого дополнения модели лучше физическая модель электронной конфигурации атомов и виды диаграмм Гротриана. На этой, чтобы ее части соответствовали определенным физическим факторам.

75. Ниже рассмотрены основе построены модели классов в системе ЛЕММА и в графическом представлении.

76. Проектирование системы и интерфейса графического представления

77. V : \ представдешсе j • | С.|4 \ | II4

78. Рис. 1. Общее представление информационной системы.

79. Пользователь заходит на сайт, где расположен ресурс, например, http://www.mmedia.nsu.ru/grotrian, и, следуя логике сайта, выбирает, в каком виде и какую информацию он хотел бы получить.

80. Редактирование и ввод новых объектов также осуществляется через Интернет. Для этого необходимо на начальной странице кликнуть на ссылку "Ввод и редактирование данных".

81. Ниже на рис. 2. представлена диаграмма классов и связей между ними в СУБД ЛЕММА.

82. COutputTable <-- CSelectionPage