激光与金属相互作用时涉及的原子分子物理问题

研究激光与金属相互作用时,烧蚀蒸汽的运动可用辐射流体力学方程描述,因此必须预先求出高温气体的状态方程,辐射吸收系数和输运系数。上述这些宏观性质,可以从原子分子结构,辐射跃迁几率和原子间相互作用势等基本参数求出。本文对所需的原子分子数据理论计算方法,以及这些数据在计算高温气体宏观性质时的应用,进行了综述。     

高激发态原子及其与辐射的相互作用

高激发态原子广泛存在于星球内部、宇宙空间、地球大气、高温等离子体以及各种气体激光器内。航天、激光、受控核聚变、同位素分离等科技事业的发展，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。高激发态的原子结构，高激发态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，并在近年来取得了巨大的进展和成就。本文简述这一领域的主要研究内容和发展概况。     

铝原子和离子微观结构及高温铝蒸汽葠态方程的计算

讨论了从原子和离子微观结构入手,直到求出高温气体状态方程的第一原理方法。按照这种方法,计算了铝原子和离子的微观结构,以及压力为latm,温度为3000—20000 K的铝蒸汽温度状态方程和热量状态方程。着重讨论了原子和离子内部配分函数的截断方法对状态方程的影响。     

背景气体对金属原子二维平面蒸发过程的影响

在原子蒸气法激光分离同位素中,金属原子蒸气宏观物理性质的空间分布会直接影响到分离过程的电离率和原料利用率.本文从分离过程的实际需求出发,建立了双组分气体的Bhatnagar-Gross-Krook模型方程组,并利用数值计算方法对方程进行求解,研究了背景气体对二维平面蒸发过程中原子蒸气宏观物理性质和蒸发速率的影响.研究结果表明:随着背景气体密度的增加,远离蒸发源位置处的金属原子蒸气密度增大,速度减小,温度升高,而近蒸发源位置处原子蒸气的性质则几乎不受影响,因而蒸发速率基本上不随背景气体密度发生变化.另外,随着尾料板温度的升高和对原子蒸气吸收率的增加,金属原子蒸气宏观物理性质受背景气体的影响逐渐下降.理论计算的结果对于分离装置的真空设计和光斑分布设计有较为重要的参考意义.     

两个能级原子与双模腔场的拉曼相互作用

研究了两个双能有原子与双模辐射腔场的拉曼相互作用，计算了两个原子与腔场具有相同耦合常数但同时考虑原子间偶极－偶极相互作用情形下的辐射谱，讨论了双模腔场下于不同数态时辐射新特点。     

广义不确定性原理下费米气体低温热力学性质

在考虑到广义不确定性原理时, 统计物理中的态密度必须做出修正, 这导致对传统统计物理的所有结果都有不同程度的修正. 在高能、高温条件下, 此修正是颠覆传统观念的, 在低温条件下, 也有一定的修正. 研究了低温条件下考虑到广义不确定性原理时, 理想费米气体和具有弱相互作用费米气体的热力学性质, 分别给出理想费米气体和弱相互作用费米气体的化学势、内能和定容热容的解析表达式, 并以铜电子气体为例进行了具体数值计算, 将计算结果与不考虑广义不确定性原理时的费米气体的热力学性质进行了比较, 探讨了广义不确定性原理对系统热力学性质的影响. 考虑到广义不确定性原理后费米气体的化学势、费米能和基态能增大, 热容减少, 内能随温度的增加先增大, 到某一温度(对于铜电子气体, T/T_F0～0.3)时, 增值为零, 温度再增加内能减少. 这些修正的具体数值主要由粒子数密度决定, 粒子数密度越大, 修正越大.     

观察玻色-爱因斯坦凝聚体的晶化

对于一团密集的处于激发态的二能级原子气体,Robert Dicke在1954年预言了一个非凡的现象--超辐射[1]:当每个原子独立地自发辐射光子时,这团原子是一个非相干辐射源的聚集体;但在特定的条件下,原子可以通过它们所辐射的光子而相干地相互作用,从而自发地和集体地辐射出相干的并且高度偏振的光.     

一维光晶格势中玻色凝聚气体干涉图样演化特性研究

陷俘在一维光晶格势中的玻色凝聚气体,将形成许多小的子凝聚原子云.将这些子凝聚原子云视作相干的物质波波源,求出其宏观波函数,然后对物质波干涉图样的演化特性,如粒子数密度、粒子流密度、干涉峰的运动速度以及宏观波函数的相位性质等进行研究,并讨论了当相邻子凝聚原子云间存在相对相位差时,对物质波干涉图样的影响.研究表明,物质波干涉峰是一个以一定速度运动的波包,其波长由德布如意关系式确定,波包的相位特点类似于平面波.     

实际费米气体的低温性质

实际气体粒子间都存在弱的相互作用,利用赝势法求出无外势时实际费米气体的能谱,导出了低温低密度下实际费米气体的化学势、压强、熵、内能和定容热容等物理量的解析表达式,探讨了粒子间相互作用对系统低温性质的影响．     

两个双能级原子与双模腔场的拉曼相互作用

研究了两个双能级原子与双模辐射腔场的拉曼相互作用，计算了两个原子与腔场具有相同耦合常数但同时考虑原子间偶极一偶极相互作用情形下的辐射谱．讨论了双模腔场处于不同数态时辐射谱的新特点．     

序列脉冲激光中的原子共振辐射

本文详细研究了序列脉冲激光与二能级原子共振作用的Bloch方程的解。在此基础上,结合数值计算,求出了序列脉冲作用下二能级原子的共振辐射谱;并得出如下结论:对满足K_1/K=1的原子(如仅受自然展宽的气体原子),序列脉冲差不多等效于一单色激光场;而对满足K_1/K(?)=1的原子(比如一些固体原子)序列脉冲场中边频成份也表现出较强的作用,辐射谱呈现出多边峰现象。     

惰性气体原子间相互作用势比较研究

原子间相互作用势是预测惰性气体输运性质的必要输入条件. 文章对描述惰性气体原子间相互作用的Lennard-Jones势、指数排斥势、Hartree-Fock-Dispersion-B (HFD-B)势和唯象势的形式和特点进行了分析. 基于Chapman-Enskog方法, 计算得到了惰性气体在300–5000 K温度区间内基于四种原子相互作用势的黏性和热导率, 并与文献报道的实验和理论计算结果进行了比较. 研究结果表明, 基于Hartree-Fock排斥理论与色散理论发展起来的HFD-B势能够合理反映惰性气体原子相互作用的趋势与特征, 因而可以较好地预测惰性气体的宏观输运性质.     

一种导弹高超声速绕流红外辐射特性数值计算方法

主要研究导弹高超声速飞行时弹头流场对自身红外导引头的辐射照度影响问题.建立导弹弹头及气动流场模型,划分计算流场网格、红外导引头镜面网格和辐射场计算网格.从辐射照度和亮度的理论公式开始,推导出适用于辐射网格的气体辐射积分式,并将流场网格数值插值到辐射场网格,求出各节点辐射值得到由导弹飞行状态确定的导弹头部流场气体辐射,积分到红外导引头的光学系统镜面处,求出对其红外导引头的光学系统镜面处的辐射照度.得出流场气体对导引头主镜面的辐射照度值的分布规律:主镜面中心最大,围绕主镜面中心成环形分布,沿着半径方向逐渐减小,随着Mach数增大影响增加.      

高温窑炉气体红外辐射被动遥测

基于傅里叶变换红外光谱技术对高温窑炉内气体红外辐射信号进行了遥测研究。根据工业现场条件,利用大气辐射原理建立被动辐射模型,计算了炉膛内高温气体透射率。针对湍流噪声对信噪比的影响,研究了红外干涉信号光谱转换的数据处理方法,以零光程差为基准对齐干涉信号,以实现多次扫描干涉信号的平均,减小了噪声和计算量,并提高了光谱数据率。利用HITRAN数据库和高温参考谱模型法,对谱线线强、线宽修正合成的校准光谱与透射谱进行非线性最小二乘拟合,反演了炉膛内不同吸收波段的高温气体浓度。结果表明该技术在窑炉内及其他工业燃烧过程中对高温气体的在线检测是可行、可靠的。     

高温窑炉气体红外辐射被动遥测EI北大核心CSCD

基于傅里叶变换红外光谱技术对高温窑炉内气体红外辐射信号进行了遥测研究。根据工业现场条件,利用大气辐射原理建立被动辐射模型,计算了炉膛内高温气体透射率。针对湍流噪声对信噪比的影响,研究了红外干涉信号光谱转换的数据处理方法,以零光程差为基准对齐干涉信号,以实现多次扫描干涉信号的平均,减小了噪声和计算量,并提高了光谱数据率。利用HITRAN数据库和高温参考谱模型法,对谱线线强、线宽修正合成的校准光谱与透射谱进行非线性最小二乘拟合,反演了炉膛内不同吸收波段的高温气体浓度。结果表明该技术在窑炉内及其他工业燃烧过程中对高温气体的在线检测是可行、可靠的。     

纠缠双原子和相干光场作用的光子统计非经典特性

采用数值计算法研究了纠缠双原子和相干光场相互作用中辐射光场光子数分布的演化特性。结果表明,通过和纠缠双原子的相互作用,使得不具有反聚束效应和光子亚泊松分布的相干光场获得了非经典特性。并且初始双原子间的纠缠强度越大,辐射光场的非经典性质越强,说明可以通过选择初始原子状态制备非经典辐射光场。     

高超声速飞行器气体辐射噪声计算方法

高超声速飞行器周围的激波层内高温气体会发生剧烈的物理化学变化,伴随强烈的光辐射过程,直接影响红外导引头的光学成像效果。采用流体力学Navier-Stokes方程和热化学非平衡模型模拟高温非平衡流动,考虑电子跃迁和振转跃迁以窄带法求解气体辐射特性参数,基于有限体积法离散辐射传输方程,在分别验证流场解算、辐射参数求解和辐射传输计算的基础上,进行了飞行器高速飞行的流动和辐射模拟。数值求解得到了飞行器流场特征和粒子数空间分布。计算的选定波长范围内的气体辐射发射系数空间分布显示其与激波形状和波后气体温度分布相似。通过传输得到的飞行器光学窗口视线路径上的气体辐射噪声成轴对称分布,发现辐射噪声和飞行速度、气体成分等密切相关,马赫数增加时气体辐射噪声显著增强。     

有限温度下腔光机械系统中N个二能级原子的相变和热力学性质

研究了含有非线性相互作用的腔机械系统中N个二能级原子在有限温度下的相变和相关的热力学性质,采用虚时路径积分方法推导出系统的配分函数,求得系统的有效作用量.通过对有效作用量进行变分得到系统的热力学平衡方程和原子布居数期待值的解析表达式,重点研究了原子-场耦合强度、非线性原子-光相互作用、非线性声子-光子相互作用等影响下系统的相变,发现除了会发生由正常相到超辐射相的二阶相变外,还会出现正常相和亚稳的超辐射态共存的现象,同时会发现三相(正常相、超辐射相、亚稳的超辐射态)共存点.有限温度的升高,会使正常相到超辐射相的二阶相变点向原子-场耦合强度增大的方向移动;当非线性原子-光相互作用(正或负)增强时,相变点会向原子-场耦合强度弱的方向移动;声子-光子相互作用会导致出现超辐射不稳定态;有限温度下,在正常相区熵为定值,而在超辐射相区熵随原子-场耦合强度的增强迅速递减为零.     

讲授量子理论的一种方法(三)

三、在相互作用中能量和动量是怎样传递的 上面我们讨论了在时间和空间中辐射是如何传播的,现在来看另一个完全不同的问题──当辐射到达物质并与它相互作用时,会有什么样的行为呢? 1.宏观客体、原子核以及电子间的相互作用 诸如放置在气桌上的小球之类的宏观客体,我们就不必多说了.这些已经在第3、4单元中研究过.物体间的碰撞包含着迅速的能量和动量的交换,这种交换取决于能量和动量守恒定律.同样,原子核之间以及电子之间的碰撞也是如此.例如,在图14中,一个电子射入气泡室并撞击另一个属于液体原子的电子,后者受到十分猛烈的撞击,而被从其…     

弱磁场中弱相互作用费米气体的热力学性质

根据赝势法和系综理论导出弱磁场中弱相互作用费米气体的内能、化学势和热容量的小参数r的解析式.在此基础上给出高温和低温两种情况下弱磁场中弱相互作用费米气体的热力学性质,探讨磁场及粒子间相互作用对热力学性质的影响,分析磁场与三维谐振势两种约束对系统性质影响的不同及其原因. 关键词： 赝势法 费米气体 相互作用 热力学性质