原子的自电离态作为一种新颖的原子状态

原子的一个内层电子被激发，或两个外层

电子被同时激发，其总能量大于第一电离限时，

原子处在自龟离卷： 原子的自电离志是嵌在一

个或几个连接区中的一系列分立态，电子的库

仑相互作用使这些态与连续态混合，井具有自

电离性质．

原子的自电离态作为一种新颖的廪子状态

而具有研究价值

矗激发态原子及其与辐射的相互作用

张 森

(浙江太学物理系)

高激发态原子广泛存在于星球内部、字宙空间、地球大气、高温萼离子体以及各种气体激光器内．

航天、激光、受控校聚变、同位素舟高等科技事业的发展，以及可调谐激光器和高分辨率光谱技术的应

用，促使原子高激发态的研究工作蓬勃开展．高激发恋的原子结构，高激发鑫与辐射的强相互作用及其

在外场中呈现的性质，成为原子分子物理学的一个重要研究内容，并在近年桌取得了巨太的进展和成

就．本文简述选一锈域的主要研究内容和发展概况．

原子的高激发态一般包括无数个里德堡志

和无数个自电离态，它们分别收敛于相应的阚

值，并且各里德堡系之间， 各自电离态系及其

与相应的连续态之间都可能存在强烈的相互干

扰 ． 70年代以来， 利用可调谐激光或周步辐

射源实现的单一量子态的选择性布居， 为更清

晰地研究原子高激发态的电子结构建立了有效

的实验手段；高分辨率光谱技术和高准确性测

量技术的发展，为原子的超精细结构、同位素移

位、更高的激发态( > 1 00)以及电子关联效应

的研究提供了精确的实验方法；高激发态原子

在外场中的性质，为研究原子一场系统动力学问

题以及强场中的原子态和组态相互作用展示了

所的实验现象和规律． 在理论上，多通道量子

数亏损理论提供了一种统一地和定量地描述原

子高激发态结构的方法 ． 近年来，原子的高

激发态及其与辐射的相互作用成为原子物理学

的一个重要研究内容． 这些研究工作不仅深化

了对原子自身的认识，而且对天体物理、等离子

体物理、光物理、大气物理、凝聚态物理、激光化

学等相关学科的发展产生了直接的或深远的影

响，并且在航天事业、激光技术、周位素分离以

及稀有矿藏探测等众多技术领域获得应用．

一

、

原子的里德堡态

原子中的一个价电子被激发到主量子数

较大拘状态为里德堡志． 里德堡原子的主要性

， ‘玉‘

质已在文献【2】中作了论述．

里德堡原子盼自发辐射首先在星际空间发

现， 低密度的无碰撞原子束的建立为在实验室

中蕊察和测定里德堡原子的自发辐射提供了条

件．

1．里曩量态的蕾发和检测

早期对星德堡原子的激发大多利用气体放

电或紫外单光子吸收方法． 可调谐激光的应用

使里德堡原子的研究工作得到了新的发展． 利

用两束或两束以上可调谐激光分步激发，可以

使单一的里德堡态得到布居，这种布居也可以

通过激发态向下转移，然后再激发，或通过价态

的激发，达到f一4的能级． 原子披激发到里

德堡态可以再吸收光子而电离． 这种激光分步

激发和电离的方法在7O年代后期形成共振电

离光谱学 ， 这一光谱技术不仅广泛用于原子

高激发态的实验研究工作， 而且在激光分离同

位素，少数原子检铡等技术上获得重要应用．近

年来借助于高强度可调诣激光，对原子里德堡

态的激发较多地使用了双光子吸收过程．

对原子里德堡态的检测， 可以用光电离和

龟子倍增方法检测电子或离子． 这种方法具有

较高的检测灵敏度． 但是，对一定波长的激光，

原子的光电离截面随 减小， 因此对高里德

堡态， 光电离方法的灵敏度降低． 在热管炉或

热离子二极管中，碰撞电离也是检测里德堡原

子的一种有效方法． 当熟离子二极管工作在空

阈电荷限制区时，其l检测灵敏度可接近用倍增

I'卷“期

方j去检铡离予的灵敏度．

，

检测里德堡原子最有效的方i去是场电离

方法． 原子在外电场强度大于经典场电离限

一

《2 ) 时电离，在较强的电场中，电离速

率足以使里德握原子在辐射衰变以前全部离

化．利用昧冲电蛹使原子电离并昂电子倍增方

法检瓣电子或离子， 是近年来广泛使用的一种

检铡技术．

工研究里铂量屎子的高分辨率光谱方法

原子里德堡态的能级间距及其精细和超精

细结构分裂随 减小，因此高一里德堡态的

选择性激发及能级精细和超精细结梅韵测定依

赖于高分辨率光谱技术的发展． 这些光谱技术

主要有：

(1)原子束技术

低密度的定向原子束不仅可以基本滑除碰

撞的影响，而且利用激光束与原子束正交的方

法， 可以消除一脐多普勒效应． 近年来利用原

子束技术和激光分步激发方法，铡定了碱金属、

碱土金属、稀土元素及其他一些元素的大量里

德堡杰能级及其精细和超精细结构， 获得了大

量和准确的原子数据．

(2) 无多普勒(Doppler—free)双光子吸收

当原子在两束反向传播的频率同为 的激

光束中各吸收一个光子跃迁至里德堡态时，若

原子在激光束方向的运动速度分量为 ，则被

吸收的两个光子频率分别为 I I+一VL)和 ×

、 ／

， __ 、

I 1一 )，．其多普勒频移相消． 双光子吸收与

、 ／

热离子二极管中的碰撞电离方法相结合， 光谱

分辨率主要受染料激光线宽的限制． 最近有人

用双光子吸收方法澍量Ti原子 P 能级的超

精细结构和同位素位移，测量误差在1MHz量

级 ．

(3)搜共振(double res0nance)

原子被光学共振激发到里德堡态后， 再用

微波实现里德堡态间的共振跃迁，并用场电离

方法检测． 由于多普勒宽度与原子里德堡态跃

迁对应的微波频率成比例地减小， 因此对高里

诮}堡杰可实现高分辨率的检测．这 方法用于

物理

Na原子里德堡态的能级测定，当微渡频率在75

GHz附近改变时，测量精度达到10 以上，用

于量子亏掼的鼬定，选到了更高的浏量精度 ．

(4)量子拍(quantum beat)

甩短脒冲激光使原子急剧激发至能量间距

为△ 的里德堡态， 当光脉冲宽度 巍足

△f > △ ／^时，产生邻近态的相干叠加{然

后通过荧光或延迟脉冲场电离方法，观察衰变

信号随时闻的变化，并铡量其中叠加的拍频，这

种拍频对应于里德堡态的能量间隔． 量子拍方

法的光谱分辨率不受激光线宽的限制． 最近用

送一方法铡量．rl原子 P ( 一1O一；，)能级

的超精细分裂，测量误差小于1MHz ．

近年来利用高分辨率光谱技术， 对原子里

德堡态的研究工作在更高的激发态( ～ 300)、

高 杰、重原子(特别是稀土元素原子)里德堡

态以及里德堡原子能级的超精细结构和同位素

位移等方面已取得新的进展．

3．里铂蕾熏子与黑体辐射的相互作用

里德堡原子对黑体辐射非常敏感． 70年

代末期首次证实室温下的黑体辐射引起原子里

德堡能级布居的转移， 并且实验得出里德堡态

的上转移原子数随黑体源温度线性地上升． 黑

体辐射的另一个效应是使原子里德堡态的能毅

移位， 这时辐射相当于一快速变化场， 它引起

的能级交流斯塔克(Stark)位移与黑体温度平

方成比例， 这一关系曾被建议用于环境绝对温

度的铡量． 有关里德堡原子与黑体辐射相互作

胡的主要效应及其可能的应用已在文献[7]中

论述．

近年来利用谐振腔研究原子与辐射场之间

相互作用的工作有较多的开展． 里德堡原子的

辐射寿命与 成比例，在原子与场的耦台时间

内，其自身的弛豫可以忽略，因此里德堡原子在

谐振腔内的行为已成为一个很好的量子电动力

学试验系统．

在谐振腔内里德堡原子的自发辐射受到抑

制的现象在8O年代中期被多次的实验观察所

证实，与此同时， 也观察到在共振条件下；}盍

的里德堡原子在谐振腔内辐射髓j壬几率显蔫增

·‘，5．·

夭， Ⅱ用这种共撮辐射效应可使少数里德堡原

子产生微波受激辐射放大． 摄近由量子电动力

学已得出了关于里德堡原子在谐振腔内行为的

一

般结果 ．

对多数个原早在谐振腔内的群体效应

《cbtlective effect)， 近年来也进行了较多的研

究。对一个两能凝系统， 当里德堡原子处在上

豁级时，表现出群体振荡和超辐射；当里 德堡原

子处在下能级时，表现出群体吸收．对中等9

值(9～ 1D )的谐振腔，已用极低的粒子数反

转密度(Ⅳ ～ r0 原子)产生里德堡原子的受激

辐射微波放大；对高9值(9～ 106)的谐振腔，

观察到空腔与原子间的振荡能量交换．

二、原子的自电离态

原子的一个内层电子被激发，或两个外层

电子被同时激发，其总能量大于第一电离限时，

原子处在自龟离卷： 原子的自电离志是嵌在一

个或几个连接区中的一系列分立态，电子的库

仑相互作用使这些态与连续态混合，井具有自

电离性质．

原子的自电离态作为一种新颖的廪子状态

而具有研究价值，并由于和天体物理、受控核聚

变等研究工怍关系密切，以及可能为激光分离

同位素提供有效的途径而受到重视． 在理论

上，Fano关于自电离态与连续区相互作用的理

论给出了自电离态的基本性质及其光谱特

征 ． 近年来， 多通道量子数亏损理论对原子

自电离态的研究给出了不少定量的结果[11． 在

实验上，对原子自电离态的激发，早期的工作大

多使用真空紫外单光子吸收过程，70年代后期

以来，可调谐激光和同步辐射源几乎代替了～

切其他光源，并促使愿子自电离态的研究成为

原子高激发态研究工作中的一个重要部分、

原子被激发到自电离态后很快弹射出一个

电子辨衰变蓟离子态．较高的自电离态可以分

别衰变 几种离子璇发态，并且各衰变通道之

向具有一定的分支比． 因此，利用原子自电离

态的衰变可以形成离子态之间的粒子数反转，

产生放大的受激辐射． 这种受激辐射巳在B

原子中实现． 预期通过自电离恋泵浦 离子激

光器可能在真空紫外区成为一种新型光源．

1．囊重激裳(dⅡib exelted，皂电离里锥量卷

自电离态的研究工怍较多地集中在一个价

电子激发至较高 态， 身一价电子激发至低#

的双重激发态．遗种 自电离态相当于具有一个

激发离子实的里德堡态． 在实验上对藏重激发

自电离态的研究主要使用孤立实 }步激发方

法． 这一方法是用两荣可调谐激光， 使基态原

手申的一个价电子两步激发到高n；蠡，然后再

用第三柬可调谐激光使离丰实率的另一价电子

共振激发，曲于第三步激发过程中高 里德堡

电子远离离子实，几乎是一“旁观者”，因此激发

过程接近离子的共振激发过程． 孤立实分步激

发方法的每一步均为单电子偶极擞发，只需很

小的激光能量，而且第兰步实电子的共振戳发

截面远大于光电离截面，可以避免连续态的干

扰． 70年代后期以来，利用孤立奘分步激发方

法和多通道量子数亏损理论， 对碱主金属原子

双重激发自电离里德璺系列的能级位置、线宽

或自电离速率、线型、精细结构，以及不葡通道

自电离态之间的混合或相互作用等避行了较为

系统的研究，对自电离杰的认识获得了巨大进

展 ．

原子的自电离态一般具有很高的衰变速

率．但是， 近年来陆续发现不少窄线宽的自电

离态，它们具有较长的寿命，其中对Ba原子已

测得线宽小于6MHz的自电离能级． 这种亚

稳自电寓意的产生与组志相互作用密切相关．

亚稳自电离态的存在，为利用激光多步级联激

发获得更高能量的自电离卷提供了途径， 因而

利用高能量自电离态选择性寰变的离子终态为

产生极紫外激光提供了可能性．

互高激发孤墨德堡态 。

随着短渡长可调谐激光器的发展和应用，

原手中的两个价电子同时激发到高 态的行星

原子(planet ，atom) 近年来已经实现“∞，

并引起人们美注．这是原予离激发杰的一个崭

的研究领域，它为控制和研究电子关联效应提

I，卷11期

供了实验条件，并对研究三体量子体系问题具

有一定意义． 这种高自电离态的选择性衰变，

对获得离子志间的真空紫外受激辐射更为有

效．

原子的双重激发揭示了两个电子共简分担

激发能的状态， 促使在原子结构和动力学计算

中用电子关联代替传统的电子独立运动模型．

对双重激发态的研究，已导致引进相关量子数

对原子的激发态进行新的分类和描述新的光谱

学规律“”．

三、原子高激发态的外场效应

高激发态的原子对外场异常敏感． 近十多

年来对原子高激发态外场效应的研究，揭示了

原子在外场中的一些奇异的效应． 这些效应在

天体物理、等离子体物理、激光物理、凝聚态物

理以及其他与外场中的原子有关的学科中均具

有重要意义．

原子高激发态外场效应理论研究中的主要

困难在于外场的静电力、洛伦兹力和核的库仑

力具有各自不同的对称性． 大多数理论计算仍

集中在氢原子，壶以氢原子为模型的适当修正．

在均匀外电场中， 氢原子的哈密顿量在抛物坐

标中变量是可分离的，因此和电场效应比较，磁

场效应的理论计算更为困难．

原子高激发态磁场效应的研究工作，主要

集中在强磁场中原子的抗磁性能级结构和在电

离阚值附近出现的准朗道共振． 电场效应的研

究工作主要集中在两个电场区： (1)在经典场

电离限以下原子在低电场中的能级Stark簇结

构及在强电场中非氢原子的能级抗交叉结构；

(2)在经典场电离限以上原子光谱呈现的共振

结构．

1．电场觌应

氢原子在均匀外电场中的Stark光谱的大

多数性质已用微扰理论和WKB 方法近似得

出． 但是， 由于原子在电子势能曲线的鞍点以

上电离， 以及非氢原子实库仑场的不对称性对

能级结构的影响，使里德堡原子在外电场中的

物理

性质异常复杂．

(1) 碌子里德堡态的电均效应

在低于鞍点的能域， 氢原子里德堡志在外

电场中的能级结构已在文献【l2]中论述过． 对

非氢原子的数值计算得出，在外场强度F< l，

3一’的低电场中，近简并的高l态混合并分裂成

类氢的线性Stark簇，非简井的低f态只有很

小的二阶Stark移位． 在F> l／3n’的强电场

中，非氢原子能级之间存在明显的抗交叉结构．

这种抗交叉结构主要由原子实库仑场的不对称

性引起，与量子亏损的大小密切相关． 对u，

Na，Rb，Cs等碱金属及ca，sr，Ba等碱土金

属里德堡态的实验结果均与计算符合较好，最

近对Na和Ba原子能级Stark结构的高分辨率

光谱观察结果也与计算一致．

在高于鞍点的能域， 原子的准稳定能级叠

加在电离连续态一I-，在零场电离限附近，光谱呈

现等能量间距的共振结构． 这种共振结构与激

发光的偏振方向和场强的大小密切相关， 并且

一

直延伸到正能量区． 70年代束提出的电子

在库仑场和外电场共同作用下存在准稳定轨道

的半经典强场混合模型“ 得出这种共振结构决

定于跃迁终态的m，值；对氢原子的WKB近似

计算给出了共振峰能量间距正比于F ． 这一

结果与Rb，Na，Ba和Yb原子的实验结果一

致．稍后提出的振子强度补偿量子理论 得出，

光电离光谱的共振结构不仅与跃迁振子强度有

关，而且与跃迁终态的态密度有关．但是由于能

级的精细和超精细结构的影响， 对非氢原子的

实验结果比对氢原子的计算结果更为复杂．

(2) 原子的场电离

对氢原子或非氢里德堡原子，当外电场强

度 > (2 ) 时，原子电离“≈． 在稳定电场

中， 原子的电离速率随电场强度按接近指数的

规律增大． 在脉冲电场中，里德堡原子的电离

过程与电场的上升速率有关． 近年来对原子场

电离的研究工作主要在于用快速的和线性L升

的脉冲电场观察电离的非绝热和绝热路径 ，

研究场电离的多重阈值与能级精细结构的关

系 原子的场电离广泛用于里德堡原子的检

· ‘57·

一⋯⋯一⋯⋯～ ⋯‘ ’ rr”⋯’

捌和分析里德堡态布居分布

(3)原子自电离态的电场效应

自电离杰的电场效应在物理上的重要性在

于外电场不仅影响分立态之间的耦合，而且改

变分立态与连续态之间的耦台． 在高温等离子

体中，双电子复台过程是影响电离平衡和辐射

损耗的重要过程． 原子的自电离是双电子复合

的逆过程， 自电离杰的电场效应也由于直接与

高温等离子体内微观电场区的双电子复合速率

有关而受到重视．

70年代末期，首先发现外电场对sr原子自

电离杰谱线线型及宽度的强烈影响，这种影响

主要来自电场诱导的组态混合效应．在零场中，

原子的自电离态衰变速率随量子数，的增大而

减小，只有低z态具有较大的自电离速率，对高

态，辐射衰变可以代替自电离衰变． 在电场

中， Stark 混合使高，态的自电离速率加大．

衰变速率增大意味着能级加宽．

随着电场的增强，经典场电离限降低，零场

中的双电子激发价态可以上升至经典场电离限

以上而具有自电离性质． 经典场电离限以上的

里德堡态具有连续态性质． 最近研究了这种强

迫自电离(forced autoioDiz3：ion) 态与电场

诱导的连续态之间的相互作用“”， 得出其组态

相互作用参数与零场中的参数相类似． 因此，

这种强迫自电离杰可以作为一种研究组态相互

作用的光谱学工具．

2．磁场效应

在弱磁场中，原子的抗磁性可以忽略，其颐

磁性能级分裂是早已熟知的塞曼效应． 在强磁

场中，外场与原子的相互作用远大于原子自身

的自旋一轨道相互作用和超精细相互作用，电子

和核的自旋效应可以忽略，原子的抗磁性加强．

70年代中期以来，对原子在强磁场中的抗磁性

能级分裂做了较多的理论和实验研究，对抗磁

性能级结构得出了较好的结果 ．

在更强的磁场中，或对更高激发态的原子，

外磁场的作用超过库仑场，此时原子在光子能

量等于 整倍数的激光作用下，激发电子可

以从较低的回旋能级跃迁到较高的回旋能级，

· 疗5B·

对应地在吸收光谱中星现周期性的调制，即准

朗道共振，共振峰的能量间隔由电子回旋频率

决定． 在通常实验室容易达到的磁场中，准

朗道共振主要在电离限附近产生，并且延伸到

电离限以上的正能量区． 用偏振光激发的实验

得出，准朗道共振结构与激发终态的m，值有

关．高分辨率光谱实验发现，准朗道共振具有复

杂的光谱结构，利用傅里叶变换可以把这种共

振表示为几个正弦振荡的叠加 ．

对原子在电磁联合场中的研究工作， 近年

来也已进行． 在弱交叉电磁场中，塞曼效应和

线性Stark效应对原子能级的影响具有同一量

级，能级分裂由回旋加速频率与线性Stark频

率决定“ ． 在强平行电磁场中，对氢原子的非

微扰量子计算得出，当场强比改变时，同一”簇

内的能级相互排斥，并且当外场足够强时，不同

簇的能级之间出现很窄的抗交叉结构 ．

原子高激发态在强电磁场中呈现的异乎寻

常的特性和规律， 揭示了原子结构和性质的复

杂性． 对高激发态原子外场效应的研究，正促

使人们对诸如原子结构的对称性效应， 连续态

的性质以及规则运动与混沌运动的关系等问题

的认识不断深化． ‘

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