本文選題：X射線散射　切入點(diǎn)：原子分子　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：原子與分子物理,始終是物理領(lǐng)域的重要組成部分。對單個原子分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識,形成了等離子體物理、凝聚態(tài)物理、天體物理等物理學(xué)科乃至化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)等其它領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)。原子分子的特性主要包含兩個方面：能級結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的位置空間或動量空間電子結(jié)構(gòu)。其中后者的實(shí)驗(yàn)探索主要是基于散射過程的動力學(xué)參數(shù),常以振子強(qiáng)度或者形狀因子(躍遷矩陣元)平方來表示,可以直接反映出電子波函數(shù)的分布信息。如今原子分子能級結(jié)構(gòu)的測量已經(jīng)達(dá)到了極高的精度(10.16),但動力學(xué)參數(shù)的測量精度卻往往只有百分之幾到百分之幾十,普遍意義上的高精度測量也存在5%左右的誤差,且直至今日對散射過程背后的物理機(jī)制仍存在許多不確定性或爭議。因此,發(fā)展一種全新的散射實(shí)驗(yàn)方法,獲得較精準(zhǔn)的動力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù),理解各種研究方法的利弊并探究其散射機(jī)理,就顯得十分重要。目前,研究原子分子振子強(qiáng)度或形狀因子平方的主要實(shí)驗(yàn)方法有光吸收方法、高能電子散射方法和X射線散射方法。其中,光吸收方法可以測量動量轉(zhuǎn)移接近零時原子分子的光學(xué)振子強(qiáng)度。高能電子散射和X射線散射方法既可以用來測量偶極允許躍遷的光學(xué)振子強(qiáng)度,也可以用來獲得偶極允許和偶極禁戒躍遷的動量轉(zhuǎn)移依賴的動力學(xué)參數(shù)。光吸收方法和高能電子散射方法很早就用于原子分子動力學(xué)參數(shù)的測量,獲得了大量的實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。高分辨X射線散射方法則不同,它是最近(2009年)才被本研究組引入原子分子領(lǐng)域的,且作為一種新的方法,一方面可以揭示新的原子分子碰撞機(jī)理,另一方面可以交叉檢驗(yàn)已有的實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn),因而有著廣闊的應(yīng)用前景。本論文的主要內(nèi)容就是在進(jìn)一步發(fā)展高分辨X射線散射技術(shù)的基礎(chǔ)上,開展原子分子的光學(xué)振子強(qiáng)度、彈性和非彈性形狀因子平方的系統(tǒng)研究。具體內(nèi)容為：1、以非彈性X射線散射方法獲得了氬原子、氫分子和氮分子價殼層激發(fā)形狀因子平方的實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù),其中首次從實(shí)驗(yàn)上給出了氫分子和氮分子電子振動激發(fā)態(tài)的形狀因子平方。所有這些測量結(jié)果與最近的理論計算均符合很好。通過對比X射線散射實(shí)驗(yàn)和高能電子散射實(shí)驗(yàn)得到的動力學(xué)參數(shù),發(fā)現(xiàn)對多電子體系而言,在高能電子散射過程中往往存在著明顯的分子內(nèi)散射,一階玻恩近似很難成立。還有,一般人們認(rèn)為,高能電子散射實(shí)驗(yàn)在不同入射電子能量下所得動力學(xué)參數(shù)趨于一致,可以作為一階玻恩近似成立的判據(jù),但我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地表明這一判據(jù)并不嚴(yán)格成立,高階玻恩項(xiàng)也顯示出和入射電子能量無關(guān)的特性；2、首次提出并實(shí)現(xiàn)了測量光學(xué)振子強(qiáng)度的dipole(γ,γ)方法。光吸收過程中光子把自身所攜帶的所有能量和全部動量都傳遞給了原子分子,其特點(diǎn)是能量傳遞較大(eV量級),而動量轉(zhuǎn)移極小(10-3a.u.)。我們提出利用小角度(2。)X射線散射過程中動量轉(zhuǎn)移極小的特 點(diǎn)模擬光吸收過程,進(jìn)而可用它測量原子分子的光吸收截面,我們命名它為dipole(γ,γ)方法。本論文利用dipole(γ,γ)方法測量了一氧化碳分子價殼層分立躍遷的光學(xué)振子強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)該方法得到的光學(xué)振子強(qiáng)度精度較高,可作為實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；3、以雙原子分子的彈性X射線散射實(shí)現(xiàn)了微觀尺度下的反沖楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)。一方面,雙原子分子可以看做是天然的楊氏雙縫,光子的彈性散射強(qiáng)度將呈現(xiàn)出強(qiáng)弱相間的干涉條紋。另一方面,分子的質(zhì)量較輕,可以測量散射過程中單光子對分子雙縫的反沖能量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同核分子與異核分子有相同的干涉現(xiàn)象,并且所測干涉條紋和反沖能量清晰地表明單個光子是被作為一個整體的雙縫散射的,充分驗(yàn)證了“產(chǎn)生干涉時,光子一次通過了兩個狹縫”這一超出直觀想象的量子力學(xué)描述。
[Abstract]:Atomic and molecular physics, has always been an important part of the physical field. Understanding of the molecular structure of a single atom, forming a plasma physics, condensed matter physics, astrophysics, physics and chemistry, material science, biology and other basic research field. The properties of atoms and molecules mainly includes two aspects: the position or momentum space space electronic energy structure and the corresponding experiment. The latter is mainly to explore kinetic parameters based on scattering process, often in the oscillator strength or shape factor (transition matrix element) square that can directly reflect the distribution information of the electronic wave function. Now the measurement of atomic and molecular level structure has reached a very high accuracy (10.16), but the measurement precision of the kinetic parameters are often only a few percent to tens of percent, high precision measurement of common sense there are about 5% The physical mechanism behind the error, and until today the scattering process there are still many uncertainties or disputes. Therefore, developing a new method to obtain kinetic parameters of scattering experiments, experimental benchmark data more accurate, understand the pros and cons of various research methods and research the scattering mechanism, it is very important. At present, the main light experimental study of atomic and molecular oscillator strength or square shape factor absorption method, electron scattering method and X ray scattering method. The optical absorption method can measure the momentum transfer optical oscillator strength is close to zero. The atomic and molecular optical oscillator strength of high energy electron scattering and X ray scattering method can be used to measure the dipole allowed transitions that can also be used to gain momentum and dipole dipole allowed transitions of the transfer kinetics parameter dependent. Method of light absorption and electron scattering. Method for measuring early molecular dynamics parameters, obtained experimental benchmark data in large quantities. High resolution X ray scattering method is different, it is the most recent (2009) was the study group into atomic and molecular field, and as a new method, one can reveal the atomic and molecular collision mechanism on the other hand, can cross check the existed experimental datum, so it has broad application prospects. The main content of this paper is on the basis of the further development of high resolution X ray scattering technique, carry out the optical oscillator strength of atomic and molecular systems research, elastic and non elastic square shape factor. The specific contents are as follows: 1, the non elastic X ray scattering method to obtain the argon atoms, the experimental reference data of hydrogen and nitrogen molecular valence excited square shape factor, which for the first time from the experiment gives the hydrogen and nitrogen molecular electric The shape factor of square sub vibrational excited states. All these measurement results and recent theoretical calculations are in good agreement. The kinetic parameters obtained by comparing the X X-ray scattering experiments and electron scattering experiments, found on electronic system, in high energy electron scattering processes to exist obvious intramolecular scattering, an order the Born approximation is difficult to set up. Also, it is generally believed that the high energy electron scattering experiments at different incident energies of kinetic parameters tend to be consistent, as the first-order Born approximation criterion can be established, but our experimental results clearly show that this criterion is not strictly true, characteristics of higher order Born also showed the incident the electron energy independent; 2, first proposed and implemented to measure optical oscillator strength of dipole (gamma, gamma) method. The optical absorption of photon energy and all carried by self All the momentum is passed to the atoms and molecules, which is characterized by energy transfer (eV), while the larger minimum momentum transfer (10-3a.u.). We propose the use of small angle (2.) to simulate the optical absorption characteristics of momentum transfer minimum X ray scattering process, which can be used to measure the absorption cross section of atoms and molecules of light, we name it is dipole (gamma, gamma) method. This paper uses dipole (gamma, gamma) method for measuring carbon monoxide molecular valence optical oscillator strength of shell discrete transitions, found the optical oscillator strength of high precision obtained by this method, can be used as a benchmark for experimental data; 3, with elastic X ray scattering of diatomic molecules the microscopic recoil of Young's double slit experiment. On the one hand, diatomic molecules can be seen as a natural double slit, elastic scattering intensity of photon interference fringes will appear weak and white. On the other hand, the molecular mass The lighter, can be single photon scattering process of recoil energy molecular double slit. The experimental results showed that with the same interference homonuclear and heteronuclear molecules, and the measured interference fringe and the recoil energy clear single photon is as a whole double slit scattering, fully validated interference when a photon through two slits the beyond the imagination of the description of quantum mechanics.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O561;O434.1

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本文編號：1567013