（上海交通大学应用物理系）

原子是由带正电的原子核与核外带负电的电子组成。一般的原子，即中性原子其核电荷数与核外电子数相等。当中性原子核外的一些电子由于某种原因被剥离掉，这样的原子就成了电离态原子，简称离子。原子当中电子的运动状态决定了原子的能量状态。而光谱就是光强度随其波长（或波数）的分布，当原子从高能量状态（高能级）跃迁到低能量状态（低能级）时，多余的能量可能以电磁辐射形式释放，一般放出一个光子，光子的能量等于上下能级的能量差，光波的波长决定于光子的能量。光谱结构决定于能级结构，每一种元素、每一电荷态的原子都有它特定的光谱。原子处在其能量的最低状态时，我们称它处在基态，基态是稳定的。任何高于基态的能量状态都是不稳定的，它们被称为激发态。处于激发态的原子总是想方设法通过各种可能的途径趋向基态，所以激发态的寿命是有限的。

—、历史小知识

中性和单次电离的原子光谱学是一个古老的研究领域，在理论背景搞清楚之前的19世纪已经做了许多工作。然而向高电离态的发展却是比较近期的事情。因为这需要更特殊的光源。并且多重电离的原子光谱一般出现在短波区域，容易被空气吸收。这一波段通常被称为真空紫外，波长低于2000 A，对应的光子能量高于6电子伏特。

早在1893年，肃曼（V. Schumann）通过选择合适的感光胶片已能将光谱观察范围推广到1200 A，莱曼（T. Lyman）于1906年建造了一台凹面光栅谱仪，将可测波长范围推广到500 A。于1918年米利肯（R. A. Millikan）和索耶（R. A. Sawyer）又将范围推广到200 A。在20年代这些发展使米利肯和鲍文（I. S. Bowen）能够做一些比较系统的多重电离原子光谱研究，当时最高的电离态是CI Ⅶ（即6度电离的氯原子）它有11个核外电子，属于纳等电子系列。20年代末期，席本（M. Siegbahn）实验室作出了很重要的发展，用新的摄谱仪和火花光源，爱德兰（B. Edlen）等人产生并研究了大量的离子（非中性原'子）能级，最高电离度达23+。并行于这一发展，可探测波长的短波限也被移到了软X射线区域，大约在8 A。但当时这方面的研究没有再继续深入，‘这样的高电离态原子看起来不大可能在天底下其它地方发现’。

但这一假设不久就被推翻。首先是1939年，鲍文和爱德兰发现NOVA星体光谱中的一些谱线是来自Fe Ⅶ的禁戒跃迁，当时这是所观察天体光源中所知道的最高的电离态。几年之后，爱德兰用他们实验室的高电离态原子光谱数据解释了日冕中的一些原来被认为是来自地球上不存在的元素的谱线，认为它们事实上是Ca XII-XIII，Fe X-XIV和Ni XII-XV的禁戒跃迁谱线。这些电离态原子的存在意味着日冕的电子温度高达2×106 K，比预想的高得多。1946年，鲍姆（W. A. Baum）对太阳光谱的观察发现其中富含高电离态原子光谱。

天体物理方面的结果推动了实验室高电离原子光谱的研究，基于激光物理和等离子体物理的一批新的光源被引进了这一领域，真空火花、强功率脉冲激光在固体表面产生的等离子体、核聚变托克马克装置等。并且核物理的实验方法也被应用于原子物理的研究，1963~1964年，芭西金（S. Bashkin）和凯（L. Kay）的基于重离子加速器的束箔光谱方法成了研究高电光谱和能级寿命的标准方法。从此开辟了研究高电离态原子激发态寿命的领域。

所谓束箔光谱方法，束是指由加速器加速的离子束，箔是指作靶子用的非常薄的固体薄膜（~10 μg /cm2），加速器中出来的离子束穿过箔时由于碰撞被电离和激发，电离和激发的情况都与离子束的能量有关，穿过箔以后被激发的离子束一边以电磁辐射或电子发射的形式退激，一边继续前进。电磁辐射部分就是束箔光源，测量它的光谱得到的就是该离子的束箔光谱。离子穿过箔后飞越的距离越长其对应的受激发后的时间也越长，它们之间有一一对应的关系，所以测量某一谱线的强度随离子穿越箔后飞行距离的变化，即衰减曲线，可以得到相应跃迁上能级的原子数随时间的衰减规律，从中可以得到该能级的平均寿命（简称能级寿命）。能级寿命决定于该能级的跃迁几率，跃迁几率越大，能级上原子数衰减的越快，寿命越短。

束箔方法一直是测量高电离态原子能级寿命的唯一方法，直到近几年重离子储存环和电子束离子境方法（适用于长寿命测量，ms量级）以及电子束离子境谱线宽度方法（适用于短寿命测量，fc量级）的出现，这些方法对适用于0.01-100 ns的束箔方法是很好的补充。

人类对自然世界的了解是在不断进步的，束箔方法在60年代提出以后就被广泛接受并应用，但是不久就发现许多用束箔方法得到的衰减曲线并不按人们想象的那样衰减，因此级联跃迁问题开始受到关注。在原子中的所谓级联跃迁是指原子从高能级上一级一级向下跃迁，那么被测量的原子能级上的原子数一方面因为向下能级的跃迁而减少，另一方面又由于处在更高能级上的原子向它跃迁而增加，这就是当时困扰人们的一大问题。1971年，柯蒂斯（L. Curtis）等人提出了解决这一问题的ANDC方法，这一方法原则上可以剔除任何级联效应对能级寿命测量的影响。之后束箔方法被广泛采用，测量了大量的原子能级寿命。但是这并不意味着万事大吉，我们在最近的中国-日本-瑞典的合作研究中发现，现有的束箔方法在很多情况下不能给出精确的能级寿命，根源在于由束箔碰撞产生的卫星电子，解决的方法正在进一步研究。

二、应用小常识

高度电离原子的光谱和能级寿命对相对论区原子的多体理论、量子电动力学、天体物理、等离子体物理包括核聚变的研究、对X射线激光的研究都很重要。

高度电离原子有许多中性及低电离原子所没有的特点。其核电荷数大大超过核外电子数，中心引力占压倒优势，使得深入贯穿原子的电子轨道产生很大的能级位移，磁效应超过电效应，精细能级分裂超过粗能级结构，等电子系列将起始于L-S耦合，在高Z限终于J-j耦合，不同的耦合将导致不同的能级结构，从而导致不同的光谱结构。禁戒跃迁的几率也随电离度增加，所谓禁戒跃迁是指非电偶极跃迁，在中性或低电离原子中，禁戒跃迁几率极小，但在高电离原子中，禁戒跃迁可能超过容许跃迁，高电离态原子能级寿命的研究有助于禁戒跃迁的研究。另外相对论效应、量子电动力学效应以及原子核大小对原子能级的影响都在高Z原子中比较明显，它们都将在光谱和能级寿命上有所体现。在原子中，最基本的相互作用是库仑作用，这是一个被认识的比较清楚的作用。这样，原子作为一个多体体系，它的多体效应及相对论效应就可以在其中个体之间相互作用都比较清楚的情况下被研究，沿等电子系列，可以研究相对论效应和多体效应的强弱相对变化。所谓等电子系列就是电子数相等的离子系列。

高电离原子光谱也为其它研究领域提供重要数据，比如天体物理和核聚变等离子体的诊断。原子光谱为确定等离子体参数提供为数不多的几种方法之一，如元素组分、温度、密度及一些运动特性。组分问题需要实验室产生的波长数据，而温度和密度的确定同时需要波长和相应跃迁的上能级寿命的实验室数据。

我们对像太阳那样的天体等离子体的知识主要来自它们的光辐射。每一个原子或离子都有其特征谱线。用地球或空间站上的谱仪，可以记录这些星体等离子体中各种组分光谱的复合光谱，要分析这些天体等离子体光谱，必须了解其中每一种元素的光谱。然而对同样离子，实验室光源产生的光谱和天体光谱可能有些不同。因为任何离子的光谱都和其环境有关，比如等离子体的温度和密度等，有些禁戒跃迁谱线在某种等离子体条件下失踪，在有些条件下又出现。这些跃迁对应的能级将根据它们的寿命以及等离子体的密度，或碰撞退激，或辐射光子，它们有竞争。所以基于实验室的光谱数据需要通过不同的方式，使用不同的光源获取，这样才能对元素的光谱有全面的了解。除此之外，星体总是在运动之中，旋转加移动。这意味着它们的光谱波长根据运动速度和方式会有不同程度的移动。假如我们对光谱已经有很好的了解，那就可以通过多普勒位移了解星体的运动。同样可以通过原子谱线的位移去了解其周围的外场。像哈勃空间望远镜那样的现代空间站望远镜的高分辨率数据获取，经常发现旧的光谱数据不够好以至于不能用于解释这些仪器得到的数据。同样ITER超大规模托克马克核聚变装置将来的发展将需要在其等离子体腔中用到重离子，比如钨离子等。在现在的一些托克马克装置，如英国的JET，美国的TFTR，以及日本的JT60等，发现壁物质也会进入等离子体，所以为了诊断目的必须完全了解任何壁材料的光谱，但在目前还没有做到这一步。

所以我们前而还有很长的路要走。