О ВОЗМОЖНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ РИДБЕРГОВСКОГО ВЕЩЕСТВА В ОБЛУЧЕННОЙ БЫСТРЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ ЖИДКОЙ ВОДЕ Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКА (PHYSICS)

УДК 539.1.04

Сухоносов В.Я.

канд. физ.- мат. наук [email protected] (г. Обнинск, Россия)

О ВОЗМОЖНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ РИДБЕРГОВСКОГО ВЕЩЕСТВА В ОБЛУЧЕННОЙ БЫСТРЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ ЖИДКОЙ ВОДЕ

Аннотация: рассмотрены ионизованные и возбужденные состояния, образующиеся при облучении воды быстрыми электронами. Учтена специфика жидкого состояния воды. Предполагается, что ридберговские состояния в воде являются водородоподобными системами. Ансамбль ридберговских молекул рассматривается как две квазинезависимые системы: система ридберговских электронов и система положительных ионов остова. Электронный газ ридберговских электронов образуется за счет экранирования электрического поля. Показано, что модель электронного газа ридберговских электронов является хорошим приближением, как и для валентных электронов простых металлов. Сделано предположение, что ридберговские молекулы воды с главным квантовым числом n=18, имеющие диффузное распределение электронной плотности, образуют ридберговское вещество. Ридберговское вещество излучает свет в зелено-голубой области спектра по механизму сверхизлучения. Рассмотрена релаксация ридберговского вещества.

Ключевые слова: ридберговские молекулы, плазмоны, электронный газ, неравновесное состояние, диссипативная структура, ридберговское вещество, режим обострения, излучение Дике, ридберговская катастрофа.

ВВЕДЕНИЕ

В 1968 году академик Л.В. Келдыш впервые теоретически предсказал возможность коллективизации экситонов в полупроводниках с образованием электронно-дырочных капель[1]. Идея конденсации плотных возбужденных

состояний была применена проф. Э.А. Маныкиным с соавторами к плотному газу ридберговских состояний атомов [2,3]. Ридберговские состояния атома являются сверхвозбужденными и образуются, если, по крайней мере, один валентный электрон атома в результате поглощения энергии переходит в высоковозбужденное состояние с большим главным квантовым числом. Если плотность ридберговских электронов достаточно высокая, то возможно образование конденсата. Теоретически было показано, что аналогично образованию электронно-дырочных капель, возможна конденсация электронного газа ридберговских состояний в металлическое состояние. Конденсат электронного газа является долгоживущим метастабильным состоянием. Поскольку высоковозбужденные состояния атомов и молекул водородоподобны, то свойства конденсата зависят главным образом от уровня электронного возбуждения.

Шведской группой ученых под руковдством проф. Холмлида методом времяпролетной масс-спектроскопии были исследованы плотные ридберговские состояния атомов цезия, которые образовывали кластеры из ~104 атомов. Было показано, что обнаруженные кластеры оказались сгустками сверхвозбужденных состояний атомов цезия, см. обзор [4]. Параметры плотных возбужденных состояний атомов цезия были оценены в работах[5,6]. Там же для описания таких систем были введено понятие: конденсированное возбужденное состояние (КВС), в котором валентные электроны коллективизированы и образуют ферми-жидкость с погруженными в ней остовами атомов. КВС из высоковозбужденных атомов цезия было названо ридберговским веществом (РВ). Электронная плотность РВ распределена существенно неоднородно. Плотность заряда отлична от нуля только в тонких слоях по границам ячеек Вигнера-Зейтца. Запирание электронов или стягивание волновых функций к границам ячеек Вигнера-Зейтца создает потенциальный барьер. В результате этого вероятность туннельных переходов электронов от границ ячеек Вигнера-Зейтца на уровни

энергии вблизи ионного остова очень мала, поэтому время жизни РВ становится макроскопически большим.

Экспериментальные данные, полученные в работе [4], были подтверждены исследованиями в ГНЦ РФ - ФЭИ на более совершенной установки [7], что послужило окончательным доказательством существования конденсата ридберговских состояний атомов цезия.

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы показать возможность образования ридберговского вещества не только в парах атомов цезия, но и в жидкой воде, облученной быстрыми электронами.

ЖИДКАЯ ВОДА КАК КОНДЕНСИРОВАННАЯ СИСТЕМА.

ИОНИЗОВАННЫЕ СОСТОЯНИЯ

Жидкая вода имеет определенную квазиструктуру, которая характеризуется ближним порядком, т.е. правильным расположение ближайших соседей, связанных непосредственно с каждой молекулой межмолекулярными и водородными связями. Кроме того, благодаря дальнему порядку вода имеет периодическое чередование таких групп. Стуктура жидкой воды наиболее ярко проявляется при изучении механизма гидратации электронов. Оказалось, что адекватная модель жидкой воды должна учитывать баланс между коротко - и дальнодействующими потенциалами.

При ионизации молекулы воды образуется ион-электронная пара: Н2О+ -в^ где в^ - квазисвободный электрон. Начальная реакция молекулярной среды

воды на появление электрических зарядов проявляется только через электронную поляризацию задолго до процессов гидратации. Энергия первого электронного - возбужденного состояния воды Е1 равна 8,4 эВ [8]. Из соотношения неопределенности следует, что время электронной поляризации среды равно X ~ Й/ Е1 ~ 10-16 с. Атомная и ориентационная поляризации более инертны, поэтому будет иметь место неравновесное электростатическое

состояние. Неравновесность заключается в том, что электрическая поляризация водной среды будет отличаться от той, которая должна быть, исходя из заданного расположения зарядов. Захват электрона водной средой с образованием частичной гидратной оболочки происходит за время 2-10-16 c [9]. В работе [8] было показано, что потенциал ионизации жидкой воды равен !ж = ^ + Vo - Er ,

где ^ = 12,56 эВ - потенциал ионизации изолированной молекулы воды; VI) = -1,3 эВ - сродство жидкости к электрону или работа выхода электрона, которая равна разности между энергией покоящегося электрона в вакууме и наиболее слабосвязанном состоянии электрона в среде; энергия реорганизации водной среды ионом равна

Ег = 1 Е

~ ЕЕ к' к

2 к

где Е0 (гк) - суммарная напряженность электрического поля на к - й молекуле среды, созданная ионом; ёк - электрический дипольный момент. Ег = 2,5 эВ.

При переходе от изолированных молекул воды (водяного пара) к жидкой воде потенциал ионизации резко понижается от 12,56 эВ до 8,76 эВ. Это значительное изменение потенциала ионизации показывает насколько важно учитывать реальную структуру жидкого состояния воды. Оптические спектры поглощения облученной воды имеют поразительное сходство со спектрами, характерными для твердого тела. Это наличие длинноволнового порога поглощения света, появление квазисвободного электрона при определенной энергии возбуждения электрона (наличие запрещенной зоны) и зоны энергий релаксации электрона вплоть до гидратированного состояния. Детальное исследование спектров оптического поглощения гидратированного электрона позволяет заключить, что эти кривые спектра соответствуют переходу электрона с дискретного уровня в непрерывный спектр. Эти данные можно интерпретировать как наличие в воде зоны проводимости [10-11].

ПЛАЗМОНЫ И РИДБЕРГОВСКИЕ СОСТОЯНИЯ В ЖИДКОЙ ВОДЕ

В экспериментальных работах [12-13] было показано, что в жидкой воде имеют место сильные коллективные эффекты в электронной подсистеме, которые определяют реакцию электронов на внешнее возмущение. При облучении воды электромагнитным излучением или быстрыми электронами в спектрах характеристических потерь наблюдали гигантские резонансные пики, соответствующие возбуждению коллективных колебаний плазмонного типа, а также были обнаружены ридберговские состояния. Возбуждение таких состояний характерно для различных конденсированных сред, таких, как металлы, полупроводники и полимеры.

Оказалось, что валентные электроны жидкой воды можно рассматривать как электронный газ подобно валентным электронам металлов. Под действием внешнего электрического или электромагнитного поля валентные электроны жидкой воды отклоняются от положения равновесия и совершают продольные колебания. Причем, электронный газ электронов воды имеет собственные колебания при плазменной частоте [14]:

= у-, (1)

т

где е, т - соответственно заряд и масса электрона. Плазменная частота имеет смысл только для коллектива электронов и зависит только от плотности электронного газа N При совпадении частоты внешнего поля ю с плазменной частотой Шр1 диэлектрическая проницаемость воды равна нулю, т.е. е(гор1) = 0. Коллективное возбуждение электронов на плазменной частоте называют плазмоном с энергией Ер1 = Ьгор1. При этом условии в воде возникает электрическое поле в отсутствии каких - либо внешних зарядов. Энергии возбуждения плазмонов и ридберговских состояний, а также соответствующие силы осцилляторов были получены в работе [13]. В настоящее время наличие плазмонов и ридберговских состояний в облученной воде надежно доказано.

Используя плотность среды р и формулу (1), были рассчитаны плотности электронного газа и энергии плазмонов в металлах №, М§, А1, в полупроводниках Б1, Ое и в воде. Расчетные данные представлены в табл.1.

Таблица 1. Расчетные плотности электронного газа N и энергии плазмонов Ер для различных сред.

Среда Mg А1 81 Се Н2О

Плотность р, г/см3 0,968 8,9 2,7 2,33 5,36 1

Количество

валентных электронов 1 2 3 4 4 10

Плотность

атомов или молекул, см 3 2,53-1022 8,444022 6,03-1022 4,99 •Ю22 4,454022 3,344022

Плотность

электронного газа см-3 2,534022 8,61022 1,811023 2,04023 1,78-1023 3,344023

ю, рад-с"1 8,974015 1,661016 2,404016 2,524016 2,384016 3,264016

Энергия плазмона Ер1, 5 10,6 15,79 16,56 15,66 21,47

эВ

Из табличных данных видно, что плотности электронного газа N имеют порядок 1023 см-3 и имеют близкие значения в металлах, в полупроводниках и в воде. Плотности электронного газа N ~ 1023 см-3 соответствует плазменная

частота юр1 порядка ~1016радт-1, с которой колеблются валентные электроны воды - относительно их ионных остовов. Энергия плазмонов определяется, главным образом, количеством валентных электронов. Например, энергии плазмона для Si и Ge равны 16,56 эВ и 15,66 эВ в предположении, что на каждый атом приходится четыре валентных электрона и, что все облако валентных электронов коррелировано осциллирует относительно их остовов. Энергии плазмонов значительно превышают энергию возбуждения отдельных атомов и молекул воды потому, что плазменные колебания представляют собой коррелированное движение очень большого числа электронов.

Расчетное значение энергии плазмонов в воде, равное 21,47 эВ, совпало с экспериментальным значением 21,4 эВ [12]. Следовательно, модель электронного газа, в котором электроны ведут себя как почти свободные, на каждый из которых действует усредненное поле его ионного остатка является хорошим приближением не только для простых металлов [14], но также и для жидкой воды.

Модельное приближение для ридберговских состояний воды.

Молекула воды, находящаяся в высоковозбужденном состоянии (ридберговское состояние), состоит из ионного остова и электрона, который удален на очень большое среднее расстояние от ионного остова и имеет большое значение главного квантового числа п. Этот электрон можно рассматривать отдельно от молекулярного остова, поскольку его энергия сильно отличается от энергии электронов остова. Волновая функция остова сосредоточена в небольшой области пространства (радиусом г0 ) вблизи ядра, поэтому можно не учитывать сложную ионную структуру остова и считать ионный остов точечным зарядом с эффективным кулоновским потенциалом, равным V(г) = -е2/г при г > г0. Поэтому, в качестве модели ридберговскую молекулу (РМ) в первом приближении можно считать водородоподобным возбужденным состоянием, энергетические уровни которого описываются формулой Ридберга еп = -13,6/( п- 51 )2 , (2)

где 51 - квантовый дефект, зависящий от орбитального момента 1 и учитывающий отклонения от формулы Ридберга, обусловленные структурой остова. Эти отклонения заметны только на близких расстояниях от остова.

В данном приближении ансамбль ридберговских молекул рассматривается как две квазинезависимые подсистемы: система ридберговских электронов и система положительных ионов остова. Коллективные электроны движутся в среднем поле ионов остова. Кроме того, положительные ионы остова заменяются усредненным фоном положительного заряда и считается, что распределение заряда является однородным и сферически - симметричным.

Учитывая, что ридберговские электроны имеют с их ионными остовами слабую связь, будем считать, что ридберговские электроны также образуют электронный газ, как и валентные электроны воды под действием внешнего поля. Будем также считать, что под действием внешнего поля газ ридберговских электронов совершает колебания, частота которых рассчитывается по формуле (1). Расчетные и экспериментальные данные [12] ридберговских состояний представлены в табл.2.

Таблица 2. Расчетные и экспериментальные данные ридберговских состояний и плазмона.

Ридберговское состояние Ry(A+B) Ry(C+D) Db Плазмон

Количество возбужденных электронов 2 3 4 10

Плотность ридберговских электронов и 6,68-1022 1,00-1023 1,34-1023 3,34-1023

электронов плазмона см-3

ю, с-1 1,461016 1,79-1016 2,06-1016 3,26-1016

Расчетная энергия ридберговских состояний и плазмона Ью,, эВ 9,61 11,78 13,56 21,47

Экспериментальная энергия ридберговских состояний и плазмона[12], Ью, эВ 11,26 11,93 14,1 21,4

Энергия связи электрона с остовом Еп, эВ 2,34 1,67 0,04 0,0

Три типа ридберговских состояний ЯУ(Л+Б), ЯУ(С+В) и БЬ (диффузная полоса) и их энергии возбуждения взяты из работы [12]. Энергия связи ридберговского электрона с остовом равна Еп = Еридб - Ьшп , где Еридб =13,6 эВ -энергия Ридберга; Ьгоп - энергия ридберговского состояния.

Из расчетных данных табл.2, прежде всего, следует, что расчетные энергии

ридберговских состояний хорошо совпали с экспериментальными данными. Особо хорошее совпадение имеет место для состояния ЯУ(С+Б) и ридберговских электронов диффузной полосы (состояние БЬ). Электроны состояния БЬ, имеющие энергию связи Еп = 0,04 эВ, можно считать квазисвободными. Именно эти электроны образуют электронный газ

ридберговских молекул. Зная энергии связи электронов с остовом Бд, можно по формуле Бора определить главные квантовые числа ридберговских молекул

4 1

, е т 1 л1/2 п = (-5—7--) ,

8-е1 -И2 К/ '

где в0 = 8,8540-12 Кл2/(н^м2) - электрическая постоянная, а также характерный радиус орбиты электрона гп = аМ-п2 , где аМ = 1,5-10-8см - радиус молекулы воды, взят вместо боровского радиуса аБ = 0,53-10-8 см. Время жизни ридберговских состояний равно тп = тгп3, где т1=10-8 с. Оценочные характеристики ридберговских состояний воды приведены в табл.3.

Таблица 3. Характеристики ридберговских состояний воды.

Ридберговское состояние Энергия состояния Ью,, эВ Главное квантовое число, п Радиус орбиты электрона гп, см Время жизни состояний, с

Ry(A+B) 11,26 2 6,0-10-8 840-8

Ry(C+D) 11,93 3 1,410-7 2,740-7

Db 13,56 18 4,9-10-6 5,840-5

Для дальнейшего рассмотрения нас будут интересовать ридберговские молекулы диффузной полосы (ЭЬ) с энергией возбуждения 13,56 эВ, находящиеся в высоковозбужденном состоянии с главным квантовым числом п = 18. Ридберговские электроны этого состояния имеют весьма протяженные орбитали с радиусом 4,9-10-6 см, что значительно больше атомных орбиталей с характерным радиусом ~ 10-8 см. Для таких ридберговских молекул необычно и большое время жизни, равное 5,8-10-5 с.

МОТТОВСКИИ электронный фазовый переход

Электроны ридберговских молекул на больших расстояниях от остова молекулы движутся в электрическом поле остова молекулы. Несмотря на значительное удаление электронов от остова молекулы, каждый электрон не теряют взаимодействия со своей материнской ионом. При малых концентрациях ридберговских молекул их электроны и остовы всегда образуют связанные пары. При увеличении концентрации ридберговских молекул их электронные оболочки начинают значительно перекрываться и взаимодействовать, вызывая еще большую электронную поляризацию. Причем, движение электронов будет направлено так, чтобы экранировать любое электрическое поле, возникшее из-за относительного смещения положительных и отрицательных зарядов. В результате экранирования происходит дополнительная делокализация электронов.

Возможно реализовать плотность ридберговских электронов в жидкой воде ^е, равную 1018см-3. Согласно критерию Мотта [15], делокализация электронов наступает при выполнении неравенства

<3 • Гм > 0,4, (2)

где гм -радиус ридберговской молекулы. В нашем случае ыЦ/ тм =

(1018)1/3 • г18 = 106 -4,9-10-6 = 4,9. Критерий Мотта выполняется и в результате делокализации электронов происходит перераспределение электронной плотности между совокупностью ридберговских молекул. В результате фазового перехода Мотта ансамбль ридберговских молекул имеет общий электронный газ. Средняя кинетическая энергия электронного газа равна

о 2/о 2ч2/3

<Т> = 3-л } • N23. (3) 5 2т 4 7

<Т> = 3,59 •Ю-3 эВ.

Потенциальная энергия электронного газа рассчитывается с помощью метода ячеек Вигнера - Зейтца. Молекулярная среда разбивается на ячейки, в

центре которых находятся ионы. Радиус сферы ячейки г8, содержащей один электрон, определяется из соотношения 4/3п г/=1/ ^е . Средняя потенциальная энергия электронного газа рассчитывается равна:

<Епот> = - — = - - Т . (4)

£ог е0 V3 У

<Епот> = -2,91 эВ. Полная энергия электронного газа равна Еполн = <Т> + <Епот> = -2,91 эВ.

Так как Еполн < 0, это значит, что спонтанное перераспределение электронной плотности ридберговских молекул с образованием конденсата молекул более выгодно по сравнению с существованием изолированных ридберговских молекул.

САМООРГАНИЗАЦИЯ ДИССИПАТИВНОЙ СТРУКТУРЫ.

РИДБЕРГОВСКОЕ ВЕЩЕСТВО

В точке фазового перехода Мотта плотность РМ имеет критическое (бифуркационное) значение, при переходе через которое электронная плотность ансамбля РМ значительно перекрывается, и система становится сильно неравновесной. Это состояние характеризуется крайней неустойчивостью. Неустойчивость задает в ансамбле РМ дальнодействие, в результате которого ансамбль приобретает способность к согласованному поведению, и формируя его как единое целое (конденсат).

В точке неустойчивости ансамбль РМ подвержен исключительной чувствительности к малейшим флуктуациям. Возникшие стохастические флуктуации усиливаются до значительных амплитуд. Под действием гигантской коллективной флуктуации ансамбль РМ претерпевает качественную перестройку, коррелировано переходя из неупорядоченного состояния в упорядоченное с образованием пространственно - временной диссипативной структуры. Этот переход соответствует минимальному убыванию энтропии[16].

Диссипативная структура образуется за счет окончательного перераспределения электронной плотности, в результате чего образуется ридберговское вещество, которое изображено на рис.1.

Рисунок 1. Ридберговское вещество (большие голубые круги); ядра ридберговских молекул - красные круги; молекулы воды - оранжевые круги.

РЕЛАКСАЦИЯ РИДБЕРГОВСКОГО ВЕЩЕСТВА

Молекулы ридберговского вещества находятся в высоковозбужденном состоянии. Как и любая физическая система, ридберговское вещество будет стремиться занять состояние с наименьшей энергией, равной Еполн = <Т> + <Епот> = -2,91 эВ, что соответствует излучению электромагнитных волн длиной 501 нм в зелено - голубой области видимого спектра. Рассмотрим качественно стадии этого импульса излучения РВ.

Первая стадия - задержка роста электромагнитного излучения ридберговского вещества. Процесс излучения РВ начинается с изотропного

спонтанного излучения отдельных ридберговских молекул. Качественный импульс излучения РВ представлен на рис.2. Начальному этапу излучения отдельных ридберговских молекул соответствует на рис. 1 область (а).

Рисунок 2. Импульс излучения ридберговского вещества. а - монотонное устойчивое нарастание интенсивности излучения I; б - ускоренное неустойчивое нарастание интенсивности излучения; в - излучение в режиме обострения.

1. »

РВ находится в сильно неравновесном состоянии, поэтому под действием поля излучающих молекул самопроизвольно устанавливаются корреляции между дипольными моментами РМ, что вызывает рост интенсивности излучения (на рисунке 2 начало области (б)). Полное установление корреляции между дипольными моментами РМ соответствует запуску механизма излучения Дике [17]. Корреляция дипольных моментов протекает за время т и определяет ширину импульса электромагнитного излучения на половине его высоты. Время задержки излучения определяется по моменту достижения пикового значения интенсивности, см. рис.2.

Вторая стадия излучения - нарастание интенсивности электромагнитного излучения в режиме обострения (blow up) [18]. Режим обострения характеризуется лавинообразным нарастанием интенсивности излучения в ограниченном пространстве и за характерное время (время обострения). В режиме обострения можно выделить три характерных этапа, которые раскрывают закономерности лавинообраного процесса:

а) Монотонное устойчивое нарастание интенсивности излучения. На этом этапе происходит формирование корреляционных состояний между дипольными моментами РМ. Корреляции между диполями незначительны, поэтому для интенсивности излучения справедливо линейное приближение, см. рис.2 начало области (б);

б) Ускоренное нарастание интенсивности излучения. В момент роста корреляций между диполями РМ процессы излучения ускоряются до прекращения линейного роста, что соответствует концу области (б) на рис.2;

в) Лавинообразный рост интенсивности излучения (blow up). В начале области (в) процесс излучения носит сильно нелинейный характер с возникновением положительной обратной связи. Нелинейная положительная обратная связь создает неустойчивый самостимулирующий рост интенсивности излучения, который переходит в лавинообразный. В момент to интенсивность излучения асимптотически стремится к бесконечности. На этом этапе в РВ, как в диссипативной структуре, формируется бифуркация, и РВ находится в неустойчивом состоянии и подвержено катастрофе (распаду).

Таким образом, режим с обострением по своей сути является предвестником катастрофических событий. Важно понимать какие требования необходимо предъявлять к параметрам процесса с режимом обострения, чтобы избежать вероятностный распад диссипативной структуры.

Третья стадия излучения - излучение с исчезновением корреляции дипольных моментов молекул. Эволюция неравновесной диссипативной системы всегда направлена в сторону уменьшения производства энтропии, т.е.

ёв/ёХ < 0, где б - энтропия. Это значит, что система стремится перейти в устойчивое стационарное состояние. Устойчивость стационарных состояний с минимальным производством энтропии тесно связана с принципом Ле-Шателье - Брауна [16]. В соответствии с расширенным принципом Ле Шателье - Брауна, если на диссипативную систему, находящуюся в стационарном неравновесным состоянии с минимальным производством энтропии, начинает действовать внешнее возмущение, выводящее систему из этого состояния, то в ней начинают протекать процессы, которые уменьшают влияние этого внешнего возмущения. В нашем случае излучение в режиме обострения связано с корреляцией дипольных моментов излучающих молекул, поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье - Брауна, эти корреляции ослаблевают. В результате возникшего нового режима интенсивность излучения начнет монотонно спадать. Экспоненциальный закон роста интенсивности излучения сменяется на колоколообразный. На этой стадии ридберговское вещество становится долгоживущим светящимся образованием.

Четвертая стадия излучения - осцилляторный режим светового излучения. При X ~ т корреляции между соседними РМ ослабляются, и разные молекулы и ассоциаты молекул начинают люминесцировать независимо друг от друга. При этом излучение одного из ассоциатов молекул может поглотиться молекулами другого ассоциата. Последующая люминесценция РВ будет проявляется в виде быстроосциллирующих изменений интенсивности светового излучения с затухающими амплитудами, см. рис.2. Осциллирующее излучение наблюдали в ансамбле квантовых точек в работе [20].

Пятая стадия излучения - режим спонтанного излучения. На этой стадии исчезают корреляции не только между соседними ассоциатоми РВ, но ив пределах ассоциата. Излучение ридберговского вещества переходит в режим спонтанного излучения отдельных молекул.

Ридберговская катастрофа. В процессе люминесценции ридберговского вещества, находящегося в сильно неравновесном состоянии, на второй стадии

может возникнуть тепловая флуктуация ДБфл. Из - за нелинейности неравновесного состояния возможен неограниченный рост флуктуации[19] и спонтанный распад (фрагментация) ридберговского вещества. Предположим, что ридберговского вещество состоит из ансамбля т молекул (Н2О** )т, который в свою очередь состоит из двух ансамблей с 1 молекулами и к молекулами:

(Н2О** )т = (Н2О** )1.....(Н2О** )к.

Здесь многоточие означает водородную связь между ансамблями ридберговских молекул. Тогда фрагментацию ридберговского вещества под действием тепловой флуктуации можно представить в виде:

(Н2О** )1.....(Н2О** )к + ДЕфл ^ (Н2О** )1 + (Н2О** )к .

Такой качественный переход от глобальной упорядоченности к отдельным локальным областям назовем ридберговской катастрофой.

Оценим коэффициент полезного действия преобразования энергии ионизирующего излучения быстрых электронов в световую энергию. В работе [8] при моделировании методом Монте - Карло торможения быстрого электрона с начальной энергией Ео = 10 кэВ в воде было показано, что на ионизацию и процессы возбуждения приходится соответственно 9156 эВ и 844 эВ. На процессы возбуждения молекул воды приходится всего лишь 9 % энергии, переданной быстрыми электронами. Суммарный радиационный выход (выход на 100 эВ поглощенной энергии) возбужденных состояний равен 2,28. Радиационный выход ридберговских состояний и плазмонов представлен в табл. 4.

Таблица 4. Радиационный выход ридберговских состояний и плазмонов в воде.

Ридберговские состояния Яу(Л+Б) Яу(С+Б) БЬ Плазмон

Энергия переходов,эВ 11,26 11,93 14,1 21,4

Радиационный выход 0,038 0,184 0,200 1,060

Из таблицы видно, что радиационный выход состояний с энергией 14,1 эВ, которые образуют ридберговское вещество, равен 0,2. Таким образом, на эти состояния приходится 74 эВ поглощенной энергии и кпд равен 0.74%. Эта оценка согласуется с эффективностью большинства лазеров, кпд которых составляет 0,1-1 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведенный выше анализ показывает, что в воде при облучении быстрыми электронами из ансамбля ридберговских молекул возможно образование ридберговского вещества. Ридберговское вещество представляет собой диссипативную структуру, находится в неравновесном состоянии. Ридберговское вещество излучает свет с длиной волны ~ 500 нм в виде долгоживущего светящегося образования. Начальная стадия люминисценции протекает по механизму сверхизлучения. В процессе релаксации ридберговское вещество подвержено спонтанному распаду.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Келдыш Л.В. Труды IX Международной конференции по физике полупроводников // Ленинград. Наука. С. 1303. 1968.

2. Маныкин Э.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П. О возможности металлизации газа в возбужденном состоянии // Письма в ЖТФ. 1980. Т.6. ВЫП.4. С.218 - 220.

3. Маныкин Э.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П. О коллективном электронном состоянии в системе сильновозбужденных атомов // ДАН СССР. 1981. Т.260. С.1096 - 1098.

4. Holmlid L., Manykin E.A. Rydberg matter - a longlived excited state of matter // ЖЭТФ. 1992. Т.102. ВЫП 3(9). С.804-813.

5. Маныкин Э.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П. Конденсированное состояние из возбужденных атомов цезия // ЖЭТФ. 1992. Т.102. ВЫП. 3(9). С.804-813.

6. Маныкин Э.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П. Распад кондесата из возбужденных атомов цезия // ЖЭТФ. 1992. Т.101. ВЫП. 4(10). С.1108-1115.

7. Ярыгин В.И., Сидельников В.Н., Касиков И.И., Миронов В.С., Тулин С.М. Экспериментальное изучение возможности образования конденсата возбужденных состояний вещества (Ридберговской материи) // Письма в ЖЭТФ. 2003. Т.77. ВЫП.6. С.330-334.

8. Каплан И.Г., Митерев А.М., Сухоносов В.Я. Моделирование прохождения быстрых электронов в жидкой воде и водяном паре // Химия высоких энергий.

1986. Т.23.- № 5. С.392-397.

9. Migus A., Gauduel Y., Martin J.L., Antonetti A. Excess electrons in liquid water: First evidence of a prehydrated state with femtosecond lifetime // Phys. Rev. Lett.

1987. V.58. №15. Р.1559-1562.

10. Сухоносов В.Я. Геминальная рекомбинация квазисвободных электронов в жидкой воде // Химия высоких энергий. 1995. Т.29. №1. С.9-14.

11. Сухоносов В.Я. Образование экситонов в жидкой воде // Химия высоких энергий. 1998. Т.32. №2. С.95-100.

12. Heller J.M., Hamm R.N., Birkhoff R.D., Painter L.R. Collective oscillation in liquid Water // J. Chem. Phys. 1974. V.60. Р.3483-3486.

13. Kutcher G.J., Green A. E.S. A model for energy deposition in liquid water // Radiat.Res. 1976. V.67. Р.408-425.

14. Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твердых телах. // М. Мир.1965. 382 С.

15. Мотт Н.Ф. Переходы металл - изолятор // М. Наука. 1979. 342 С.

16. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах // М. Мир. 1979. 512 С.

17. Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. -Новосибирск: Наука, 1998. - 334 с.

18. Dicke R.H. Coherrence in spontaneous radiation processes // Phys.Rev. 1954. v.93. Р. 99-110.

19. Самарский А.А., Галактионов В.А., Курдюмов С.П., Михайлов А.П. Режимы с обострением в задачах для квазилинейных параболических уравнений // М. Наука. 1987. 480 С.

20. Савельев А.В. , Карачинский Л.Я. , Новиков И.И. , Гордеев Н.Ю. , Сейсян Р.П., Зегря Г. Г. Формирование сверхизлучения в наногетероструктурах с квантовыми точками // Физика и техника полупроводников. 2008.ТОМ 42. ВЫП 6. С.729 -735.

Sukhonosov V.Ya.

Dr. Chem. Phys. [email protected] (Obninsk, Russia,)

THE POSSIBILITY OF FORMATION OF A RYDBERG MATTER IN LIQUID WATER IRRADIATED BY FAST ELECTRONS

Abstract: the Ionized and excited states formed by irradiation of water by fast electrons are considered. The specificity of the liquid state of water is taken into account. It is assumed that the Rydberg states in water are hydrogen-like systems. The ensemble of Rydberg molecules is considered as two quasi-independent systems: the Rydberg electron system and the skeleton positive ion system. The electron gas of the Rydberg electrons is formed by shielding the electric field. It is shown that the electron gas model of Rydberg electrons is a good approximation, as for valence electrons of simple metals. It is established that Rydberg water molecules with the main quantum number n=18, having a diffuse electron density distribution, form a quasi-equilibrium dissipative structure in the form of a supramolecular system. It is assumed that this supramolecular system is a Rydberg matter. Rydberg matter emits light in the green-blue region of the spectrum by the mechanism of superradiation. Relaxation of the Rydberg substance is considered.

Keywords: rydberg molecules, plasmons, electron gas, nonequilibrium state, dissipative structure, Rydberg matter, the regime intensified, superradiance Dicke, Rydberg catastrophe.