CC BY
58
АТОМ В СВЕРХСИЛЬНОМ ПОЛЕ
В.И. АРЕФЬЕВ, д. т. н., профессор кафедры физики МГУЛа, гл. науч. сотрудник ЦНИИМАШа, B.C. БЕЛЯЕВ, д. ф.-м. н., начальник отдела ЦНИИМАШа
Показано, что уже при достигнутых в настоящее время параметрах лазерного излучения, его влияние на атомные структуры и ядра, осуществляемое посредством взаимодействия их с электромагнитными полями лазерной плазмы, может приводить к существенной перестройке атомных структур, сопровождаемой сильным воздействием на ядра.
Сверхсильные электромагнитные поля для атомных и ядерных структур -поля с напряженностями электрического и магнитного полей, превышающих напряженности полей соответственно внутри атома и вблизи его ядра. На сегодняшний день единственным инструментом получения электромагнитных полей с рекордной интенсивностью является лазерное излучение.
Развитие лазерной техники привело в настоящее время к созданию мощных лазеров с длительностью импульса порядка десятков фемтосекунд и интенсивностью излучения в фокальном пятне порядка гигатераватт на квадратный сантиметр, с потоками энергии порядка сотен мегаджоулей на квадратный сантиметр, объемной концентрацией световой энергии, превышающей тераджоуль в кубическом сантиметре, что открыло качественно новый этап развития физики взаимодействия излучения с веществом [1].
Принципиально новые возможности исследования такого взаимодействия связаны, во-первых, с тем, что напряженность электрического поля в падающем на вещество излучении в сотни раз превышает напряженности внутриатомных полей и, во-вторых, с тем, что длительность воздействия меньше характерных атомных времен. За это время не успевает развиться плазменная корона, что приводит к уникальной возможности исключения эк-
ранирующего действия плазмы в классическом ее понимании. Возникает новое понятие - фемто секундная лазерная плазма; образующийся в результате туннельной ионизации (частота которой на несколько порядков превышает плазменную) свободный электронный континуум совместно с практически неподвижными ионами представляет собой релятивистскую металлизированную плазму.
Полная картина взаимодействия с веществом интенсивного сверхкороткоимпульсного излучения может быть построена только с учетом воздействия образующейся плазмы с атомными структурами, с их электронными оболочками и ядрами.
Плазма, образованная при падении мощного лазерного излучения сверхкороткой длительности на вещество, обладает рядом уникальных свойств и воздействие этой плазмы на атомные структуры и ядра уже при достигнутых параметрах лазерного излучения может вызвать ряд электро-стимулированных атомных и ядерных процессов [2].
Сложность и необходимость привлечения для решения задач такого рода методов различных дисциплин - теории плазмы, атомной и ядерной физики, квантовой механики и электродинамики, теории устойчивости и других, требует объединяющего начала, успешную роль которого может играть синергетика, обозначающая сегодня в научном обиходе лишь одно - современную теорию самоорганизации.
Согласно автору термина «синергетика» Г. Хакену [3], это название связано не только с тем, что эта дисциплина исследует совместное действие многих элементов сложных систем, но и с тем, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо коо-
перирование многих различных дисциплин. Основой синергетики служит единство явлений, моделей и методов; центральным моментом здесь является рассмотрение так называемых «резонансных возбуждений»; имеется ввиду, что многие нелинейные процессы характеризуются стадией, когда система особенно чутка к воздействиям, согласованным с ее внутренними свойствами. Синергетика акцентирует внимание на когерентном, согласованном или коллективном характере самоорганизации в сложных системах.
Лазерная плазма, коллективные процессы в ней, самоорганизация с учетом атомных и ядерных процессов - несомненно перспективная область приложения концепции синергетики. Мощным инициирующим фактором здесь являются успехи, достигнутые в области развития мощных лазеров нового поколения и перспективой их применения для решения фундаментальных проблем науки и создания новых технологий.
Совместное действие стохастических и детерминированных «сил» («случайность» и «необходимость») переводит системы из сходных состояний в новые, определяя при этом, какие именно новые конфигурации реализуются.
Теоретические и экспериментальные исследования по изучению свойств фемтосекундной лазерной плазмы при ионизирующих потоках выше 1016 Вт/см2 показали взаимосвязь коллективных и синергетических явлений - генерацию сверх-сильных полей, быстрых частиц, укруче-ние фронта лазерного импульса с механизмами ионизационного распада внешних оболочек атома с их структурной перестройкой [4].
Исследования особенностей такой плазмы позволили выявить возрастание роли коллективных процессов с увеличением интенсивности излучения и укорочения длительности воздействия. Из этого непосредственно следует расширение возможностей для процессов самоорганизации
различного характера - образование синергетических структур вещества и структур электромагнитного поля, в том числе ква-зистационарных и колебательных, крупно-и мелкомасштабных.
Следуя цели настоящей статьи, мы стараемся здесь изложить конечные результаты, полученные к настоящему времени в области исследования фемтосекундной лазерной плазмы - еще сравнительно молодой области физики, но, несомненно, имеющей огромное значение не только для фундаментальной науки, но и для массы прикладных направлений.
Ограничивая себя рамками этого обширного направления исследования, мы, не умаляя результатов многочисленных исследований, используемых нами, изложим коротко сущность предложенного циклам работ [2, 4-8] направления исследований электростимулированных коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме. Основа этих работ - модель взаимодействия интенсивного (> 1016 Вт/см ) лазерного излучения сверхкороткой длительности (< 10"12 с) с веществом. Модель построена на основе аналитического решения самосогласованной системы уравнений: для электромагнитного поля -уравнений Максвелла, для состояний электронов в плазме - уравнения Власова, уравнения Келдыша, описывающее процесс ионизации, и уравнения Шредингера для атом как квантовой системы.
Система этих уравнений в состоянии описать самосогласованным образом эффекты нестационарной ионизации, используя функцию распределения электронов по состояниям. Из этих эффектов два наиболее существенные, которые полностью определяются функцией распределения - анизотропия нагрева электронов и анизотропия ионизации. Анизотропия нагрева, главным образом, связана с появлением компоненты Р в тензоре электронного давления при падении на вещество лазерного излучения по оси 7. Как показано в [9] , такие компоненты тензора элек-
тронного давления ответственны за эффективное преобразование энергии электромагнитного поля лазерного излучения в СВЧ-излучение и в энергию спонтанно генерируемых квазистационарных магнитных полей в плазменной среде благодаря развитию неустойчивостей, получивших название Вайбелевских. Неустойчивости такого типа возникают в общем случае в плазме при наличии анизотропного распределения частиц по скоростям.
Отметим, что пороговыми параметрами лазерного излучения рассматриваемых нами коллективных явлений являются интенсивность падающего лазерного излучения выше 1016-1017 Вт/см2, чему соответствует напряженность электрического поля на первой боровской орбите атома ~ 5,1 х 109 В/см и длительность излучения < 100 фс. При этих параметрах падающего у излучения скорость ионизации за счет туннельного эффекта лежит в диапазоне (1015-1018) с”1, что на один или даже два порядка больше плазменной частоты та0 = у1п0е2/те0 = (10!5-1016) с-1. При этих условиях роль коллективных эффектов, связанных с анизотропией туннельной ионизации, возрастает и становится определяющей. Линейная теория неустойчивостей при этом предсказывает существование широкого спектра электромагнитных колебаний (от 10 5 до 101 с) -электронного континуума. Благодаря короткому времени воздействия и большой скорости ионизации функция распределения электронов в такой среде становится существенно анизотропной и неравновесной.
Из всех разнообразных свойств и структур фемтосекундной лазерной плазмы в данном случае нас интересует способность такой плазмы генерировать сверхсильные электрические и магнитные поля, которые действуют непосредственно на атомы и прежде всего на электронные оболочки, через которые воздействие осуществляется и на ядро.
Сложный процесс развития фемтосекундной лазерной плазмы условно можно разделить на пять стадий, каждая из которых характеризуется своим масштабом событий [5]. Сначала коротко обозначим эти стадии, затем расскажем о них детальнее.
1. Взаимодействие излучения со свободными электронами, развитие плазменных неустойчивостей в масштабе скин-слоя (10~5 см).
2. Процесс туннельной ионизации, структурная перестройка внешних электронных оболочек, образование электронного континуума, развитие сопутствующих
—8
процессов в масштабе размеров ~ 10 см.
3. Спиновое разделение атомных электронов с компрессией электронных оболочек вблизи ядра до масштаба ~ 10”п см.
4. Действие трансформированных через электронные оболочки электромагнитных полей лазерной плазмы на ядра, масштаб явлений 10~12-10”13 см.
5. Коллективный процесс воздействия синхронно возбужденных ядер на лазерную плазму.
На начальной фазе первой стадии воздействия интенсивного сверхкороткоимпульсного излучения на вещество в
скин-слое размером порядка с/Т0О«Ю'5 см (та0 - плазменная частота) индуцируется крупномасштабная вихревая электронная структура с электрическим полем, превышающем внутриатомную напряженность и с током свободных электронов с относительной концентрацией порядка 1021 1/см3. Показано [4], что в этих условиях идет процесс анизотропной ионизации атомов и анизотропного нагрева электронов в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу с частотами процесса порядка плазменной та0=1015-Ю16 с-1 стадия может быть названа индукционной и она характеризуется накоплением энергии в электронном компоненте, при этом спонтанно генерируемые магнитные поля из-за развития Вайбелевских неустойчи-
востей поддерживаются за все время действия импульса и носят квазистационар-ный характер. При этом амплитуда магнитных полей достигает величины порядка 10 МГс.
Следующая, вторая стадия процесса развития лазерной плазмы характеризуется взаимодействием крупномасштабной вихревой структуры в виде плоского течения свободных электронов с мелкомасштабной структурой электронных оболочек ионизируемых атомов. Это взаимодействие идет на границе горячей и холодной плазмы на масштабах неоднородностей порядка периода решетки. Под действием электрического поля лазерного импульса Е > Еа происходит сильная поляризация оболочек в направлении поля, туннельная ионизация группы электронов, образование обобщенных электронных оболочек группы частично ионизованных атомов. Скорость развития этого процесса, определяемая частотой туннельной ионизации превосходит скорость анизотропного нагрева плазмы скин-слоя. Благодаря этому рождается мелкомасштабная вихревая структура - электронный континуум. Рост анизотропного электронного давления при этом происходит с частотами ионизации; во-вторых, характеризует быстрый процесс уплотнения вихревой энергии на переднем фронте лазерного импульса; в-третьих, этот процесс, соответствующий спонтанному взрывному росту магнитного поля происходит самопроизвольно вследствие развития короткомасштабных Вайбелевских неустойчивостей анизотропной плазмы. Амплитуда магнитного поля при этом достигает уровня 100 МГс для начальной интенсивности лазерного излучения />1017 1017 Вт/см2.
При таких магнитных полях на третьей стадии развития фемтосекундной плазмы эффективен процесс спинового разделения атомных электронов по энергии. Электроны с ориентацией спина вдоль магнитного поля приобретают энер-
гию Ю, где к - постоянная Планка, -гирочастота электронов в магнитном поле; электроны с противоположной ориентацией спина отдают энергию волне. Первая группа электронов преодолевает потенциальный барьер, причем вероятность этого туннельного процесса резко возрастает за счет сильного электрического поля, они становятся «квазисвободными»; вторая группа «падает» на нижние уровни, уплотняя нижележащие оболочки. «Ионизационный взрыв» внешних электронных оболочек атома происходит за время туннельной ионизации порядка 10~,6-10”17 с за счет перестройки внутренней структуры атома - уплотнения нижних энергетических уровней с передачей энергии за счет спинового взаимодействия. Отметим, что процессы такого вида уже рассматривались в теории волновых коллапсов [10], когда в результате коллапса образуется долгоживущая, локализованная во всех измерениях зона диссипации малого размера. Этот эффект назывался «эффектом воронки» [11], эффектом «нуклеации» [12].
В работе [10] было показано, что волновой коллапс, описываемый нелинейным уравнением Шредингера, может приводить к формированию «горящей точки», поглощающей энергию из окружающего пространства, изучены различные режимы такого «сверхсильного» коллапса. Существование сингулярных стационарных решений нелинейного уравнения Шредингера с нулевым потоком аналогично известному в квантовой механике явлению «падения на центр» [13].
Эти исследования, представляющие чисто академический интерес, в данном случае получают практическую реализацию в рассматриваемой здесь задаче трансформации воздействующего импульса в атоме, описываемым нелинейным уравнением Шредингера до размеров комптоновской длины. Есть аналог этого процесса и в классическом рассмотрении, когда для создания сверхсильных полей
используют направленный взрыв. Медную трубу, внутри которой предварительно создано сильное импульсное магнитное поле, радиально сжимают давлением продуктов взрыва. С уменьшением радиуса Я трубы величина магнитного поля в ней возрастает ~ ИЯ2 при условии, если магнитный поток в ней сохраняется. Этим условием в случае электронных оболочек атома в нашей задаче является условие «вмороженности» магнитного поля в идеальную проводящую электронную плазму, роль продуктов взрыва берет на себя «ионизационный взрыв», связанный с туннельными процессами ионизации.
Отметим, что неустойчивости пинч-эффекта используются в исследованиях по плазме для получения короткоживущей сверхплотной плазмы. Для мощных импульсных пинчей в разреженном дейтерии характерно то, что при некоторых условиях они становятся источниками жестких излучений (нейтронного и рентгеновского) [14,15].
Ионизационный взрыв индивидуального атома в сильном электромагнитном поле в квазилинейном приближении описывается уравнением диффузионного типа для распада внешних электронных оболочек. Известно [16], что возникновение стохастичности в движении атомного электрона приводит к диффузионной ионизации атомов - новому механизму ионизации высоковозбужденного атома, описание которого стало возможно на основе классической механики. В отличие от квантовых процессов ионизации, которые всегда состоят в одном переходе электрона из начального связанного в конечное свободное состояние, диффузионная ионизация представляет собой большое число переходов электрона - ионизационный взрыв. Стохастический подход к процессам такого рода развит в работе [8], его влияние на развитие коллективных процессов в фемтосекундной лазерной плазме в работах [5, 7].
В частности, в квазигидродинами-ческом приближении было установлено [6],что за счет высвобождения энергии связи атомных электронов в вихревую компоненту электронного континуума возможен процесс распада атомов с выделением избыточного электромагнитного потока с каждого атома выше 1017 Вт/см2, что превышает пороговую интенсивность воздействующей на вещество лазерного излучения. Это дало основание в работе [6] утверждать о возможности стимулированного высвобождения электромагнитной энергии из электронного континуума в виде цепных реакций распада атомных оболочек под действием короткоимпульсного ионизирующего излучения.
На четвертой стадии процесс уплотнения нижних электронных уровней (оболочек) стимулирует процессы типа К-захвата и возбуждение ядра, которое ’возможно приводит к распаду ядра с выделением энергии. Это происходит при реализации «жесткого» режима воздействия на ядро, вызывающим ядерные превращения с выделением энергии. В случае «мягкого» режима происходит лишь слабое возмущение ядра и охлаждение атома лазерным излучением, процессы хорошо известные ранее [17]. Отметим, что еще в 1974 г. в работе [18] рассматривалось силовое воздействие лазерного излучения на внутриядерные процессы, в частности, возможность влияния ионизации радиоактивных атомов мощным лазерным излучением на скорость процессов внутренней конверсии и /^-захвата. Однако, рассматриваемое при этом воздействие лазерного излучения на «голое» ядро, как показывают строгие расчеты [19], требует интенсивностей падающего излучения порядка
27 2
10 Вт/см , которые пока еще недостижимы.
Пятая стадия замыкает процесс развития фемтосекундной лазерной плазмы. Здесь теория предсказывает коллективный процесс воздействия синхронно возбужденных ядер на лазерную плазму, в частности передачи энергии возбуждения элек-
тронами. Возбужденные ядра могут прийти в основное состояние посредством прямой передачи энергии возбуждения или энергии распада малой группе электронов -коллективный процесс внутренней конверсии.
Анизотропному электронному давлению, возникающему в этом случае, соответствует напряженность магнитного поля более 104 МГс. Темп ускорения малой группы электронов, принимающей энергию возбуждения ядер, может в таком случае достигать величины ~ 1015 ГэВ/с.
Выводы
При достигнутых в настоящее время параметрах лазерного излучения его воздействие на атомные структуры и ядра, осуществляемое посредством взаимодействия их с электромагнитными полями лазерной плазмы, может приводить к существенной перестройке атомных структур, сопровождаемой сильным воздействием на ядра. Это воздействие в рамках самосогласованной задачи, учитывающей природу атома, коренным образом отличается от воздействия мощного лазерного излучения на «голое» ядро. При определенных условиях атом сам становится элементом эффективно трансформирующим энергию исходного лазерного излучения к локализованным до размеров близких к размерам ядра потоков излучения, способных стимулировать ядерные процессы. На этом основывается возможность управляемой электромагнитной стимуляции атомных и ядерных процессов в лазерной плазме. Рассмотрено воздействие сильных стохастических полей на атом в условиях, когда радиационное давление превышает предел устойчивости внешних оболочек атома. Такие стохастические поля возникают в лазерной плазме вследствие развития микроскопических ионизационных процессов и неустойчивостей при воздействии на твердую мишень лазерного излучения интенсивностью выше 1017 Вт/см2 при длительности менее 10“13 с. В этих условиях возбуждаются мелкомасштабные (порядка
размера атома) потенциальные и вихревые колебания электронной компоненты с частотами, близкими к собственным частотам атома. Для самосогласованного описания плазменных колебаний и коллективных процессов в металлизированной плазме и электронных оболочек атома исследованы высокочастотные стохастические процессы с учетом туннельной ионизации. Показано, что стохастические поля с большими инкрементами порядка частоты туннельной ионизации спонтанно нарастают вблизи собственных частот атомов, при этом за счет роста высокочастотного потенциала снижается потенциальный барьер атома, меняется его форма, что приводит к росту вероятности туннельной ионизации. Благодаря резонансному взаимодействию в сильных полях при туннельной ионизации возникает диффузионный поток частиц, импульса и энергии.
В масштабе времени ионизации этот процесс трактуется авторами как «ионизационный взрыв» атома, при этом поток энергии диффузионного потока может превосходить поток энергии падающего лазерного импульса. В конечном итоге источник избыточной энергии атома обусловлен дефектом структуры электронных оболочек и ядра. Анализ совместной системы уравнений Максвелла, описывающей воздействующее на атом электромагнитное поле и нелинейного уравнения Шрединге-ра, описывающего состояние электронной атомной структуры показывает, что существует два типа решений: в виде сходящейся к центру волны и расходящейся волны. При этом существенным является условие «вмороженности» магнитного ПОЛЯ на радиусе произвольной электронной орбиты. Из условия адиабатического изменения индукции при уменьшении радиуса орбиты следует изменение азимутального компонента вихревого электрического поля. С уменьшением радиуса орбиты от радиуса Бора до комптоновской длины волны амплитуда вихревого поля достигает величины более 1015 В/см, достаточной для
сильного возбуждения ядра. Управление параметрами лазерного излучения может привести к управляемости ядерных процессов, вызываемых таким электромагнитным стимулированием.
Помимо этого, построенная модель взаимодействия интенсивного лазерного сверхкоротко-импульсного излучения с веществом позволяет описать ряд уже достаточно хорошо известных явлений: генерацию быстрых частиц с энергией более 10 МэВ, образование солитонов и самоинду-цированную прозрачность, генерацию СВЧ, рентгена, охлаждение атомов до температур, близких к абсолютному нулю и другие явления в лазерной плазме.
Проведенные нами эксперименты на лазере тераваттной мощности при интенсивности в фокальном пятне ~ 1016 Вт/см2 показали справедливость построенной теоретической модели. Результаты этих экспериментов будут после их обработки опубликованы в ближайшее время. Проводимые исследования открыли и продолжают серию работ по электромагнитной стимуляции коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме.
Литература
1. Perry М. D., Stuart В. С., Tietbohl G., Miller J., Boyd
R.D., Britten J.A., Everett М., Herman S., Nguyen H., Shore B., Powell H.T. «Development of the Petawatt Laser», 15th International Conférence on Coherent and Nonlinear Optics & 8th Laser Optics Conférence (Joint ICONO/LO'95) June 27 - July 1, 1995, St-Peterburg, Russia.
2. Arefyev V.I., Beiiaev V.S. Electromagnetic Stimulation of Collective Atomic and Nuclear Processes in a Laser-Produced Plasma. Laser Physics. Vol. 6. No. 5, 1996, 906-924.
3. Haken H. Synergetics, An Introduction, Springer Ser.
Synergetics, Vol. 1, 3rd, Springer, Berlin, Heidelberg, 1983.
4. Arefyev V.I., Beiiaev V.S. Specific Features of the Propagation of a High-Power Ultrashort Laser Pulse in a Solid State Plasma, Laser Physics, Vol. 5, № 4, 1995, pp. 856-867.
5. Beiiaev V.S. Collective Effects of Powerful Laser Pulses Energy Transformation. Proceeding of 24th European Conference on Laser Interaction with Matter, Madrid (Spain), June 3-7, 1996.
6. Арефьев В.И., Беляев B.C. Эффект стимулированного высвобождения энергии электронного континуума. - ДАН, 1996. - Т. 348. - № 3. - С. 318-322.
7. Beiiaev V.S. Collective Effects of Ionizing Radiation Powerful Super Short Pulses Energy Transformation. Report on International Conference on Lasers'95, Dec. 4-8, Charleston, USA.
8. Arefyev V.I. Stochastic Approach to the Theory of Collective Phenomena of Powerful Super Short Laser Pulses Action on Dense Plasmas, Report on International Conference on Lasers'95, Dec. 4-8, Charleston, USA.
9. Silin V.P. et al., 1990, Zh. Tekh. Fiz., 82, 18.
10. Захаров B.E., Косматов H.E., Швец В.Ф., Сверх-сильный волновой коллапс. Письма в ЖЭТФ. -1989.-Т. 49.-Вып. 8. - С. 431-433.
11. Захаров В.Е., Щур Л.Н. ЖЭТФ, 1981, 81, 2019.
12. Doolen G.D., DuBots D.E., Rose Н.А. Phys. Rev. Lett., 1985, 54, 804.
13. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. -М.: Наука, 1963.
14. Арцимович Л.А. и др. Атомная энергия, 3,76,1956.
15. Арцимович Л.А. и др., ЖЭТФ, 33,3, 1957.
16. Делоне Н.Б. и др., Высоковозбужденный атом в электромагнитном поле // Успехи физических наук. - 1983. - Т. 140. - Вып. 3. - С. 355-392.
17. Летохов B.C. Лазерный свет, атомы и ядра // Успехи физических наук. - Октябрь, 1987. - Т. 153. -Вып. 2.-С. 311-334.
18. Гольданский В.И., Летохов B.C. ЖЭТФ, 1974,67,513.
19. Никишов А.И., Ригус В.И. О влиянии лазерного поля на Р-распады ядер. ЖЭТФ, 1983. - Т. 85. -Вып. 1 (7). - С. 24-40.
