复杂原子（或离子）的重叠能级分裂大小和次序的理论研究

As energy levels of atoms and ions with complex shell structures are usually densely spaced, it is therefore difficult to resolve them by using conventional spectroscopic methods. In the past, particular spectral measurement schemes designed for different level structures have played very important roles in the study of atomic structure. Meanwhile, scientists have been constantly trying to improve the resolution of spectrometers so as to gain more detailed spectral information. However, when linewidths of energy levels are comparable to or even wider than their splittings (the so-called overlapping resonances), it becomes inherently difficult to identify the splitting and sequence of these overlapping resonances, even if high-resolution spectrometers are utilized. In this case, an alternative solution to determining level sequence and splitting becomes highly desirable. On the basis of the density matrix theory for atomic transition and the relativistic multi-configuration Dirac-Fock method for atomic structure as well as our existing related studies, we shall develop in this project a general theoretical method and corresponding computer program to study the splitting and sequence of overlapping resonances of complex atoms and ions, which will be performed by analyzing the angular and polarization properties of spectral lines emitted via these overlapping resonances. We hope that accurate determination of level splitting and sequence of overlapping resonances interested in atomic physics, astrophysics and plasma physics, could provide productive supports and helps to relevant potential studies in these fields.

具有复杂壳层结构的原子和离子的能级通常是密集分布的，因此很难用传统光谱学方法将其分辨开来。过去针对不同能级结构而设计的与之相应的光谱测量方案在原子结构的研究中发挥了非常重要的作用。同时，人们也在不断努力提高光谱仪的分辨率，以期得到更为细致的光谱信息。然而，当能级的线宽变得与其分裂大小差不多甚至更宽时（所谓的重叠能级），即使采用再高分辨率的光谱仪也不可能确定其分裂大小和次序。为此，一种新的研究能级分裂大小和次序的方法尤为需要。本项目将在原子跃迁的密度矩阵理论和原子结构的相对论多组态Dirac-Fock方法及我们前期工作的基础上，建立和发展一套通过分析经由复杂原子和离子的重叠能级发射出的光谱的角向和极化性质来研究相应重叠能级分裂大小和次序的一般性理论方法和计算程序。通过精确分辨原子物理、天体物理和等离子体物理等领域中感兴趣的重叠能级的分裂大小和次序，期望对这些领域的相关研究提供理论支持和帮助。

具有复杂壳层结构的原子和离子能级通常是密集分布的。当能级的线宽与其分裂大小差不多甚至更宽时（即重叠能级），即使使用再高分辨率的光谱仪也无法分辨其分裂大小和次序。因此，寻找新的分辨重叠能级分裂大小和次序的方法显得尤为重要。本项目的主要研究内容是在密度矩阵理论和相对论多组态Dirac-Fock方法的基础上，建立了一套通过分析经由原子和离子重叠能级辐射光谱的角向和极化性质来研究相应重叠能级分裂大小和次序的一般性理论方法并发展相应计算程序。通过分辨原子物理、天体物理和等离子体物理等领域感兴趣的重叠能级分裂大小和次序，对这些领域的相关研究提供理论帮助。具体内容如下：首先，针对所需的原子结构和跃迁数据开展了精确数值计算，详细计算了各种原子和离子的能级结构、跃迁几率、激发截面、速率系数、极化率、魔幻波长和tune-out波长等原子数据。其次，利用我们针对特定原子和离子的特定重叠能级所做研究工作的已有结果检验了所发展的理论方法和计算程序的正确性与可靠性。然后，在准确分辨了重叠能级分裂大小和次序的基础上，利用该理论方法和计算程序研究了超精细相互作用对非零核自旋类氦离子体系经电子碰撞激发辐射特征磁四极和Kα1谱线角分布的影响。研究发现，与零核自旋类氦离子相比超精细相互作用降低了磁四极谱线角分布的各向异性，并且角分布强烈依赖于核磁偶极矩。相比之下，Kα1谱线角分布的各向异性却得到了增强，并且角分布对核磁偶极矩的依赖性较弱。尽管如此，特征磁四极和Kα1谱线的角分布都强烈依赖于碰撞能量。基于此，我们提出使用离子储存环和电子束离子阱等实验装置对特征谱线角分布开展精密测量可作为研究同位素核自旋和磁偶极矩等基本核参数以及揭示高电荷态少电子体系中超精细相互作用的有效工具。这些工作对复杂原子光谱的基础研究具有重要的科学意义，也对应用领域的相关研究具有实际的借鉴意义。