СПЕКТРОСКОПИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ

© 2008 г. В. Г. Казаков*, С. Г. Раутиан**^, ***, А. С. Яценко***

*Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия
**Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, 119991 Москва, Россия
***Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, 630090 Новосибирск, Россия
Поступила в редакцию 16.01.2008 г.

Дан краткий обзор по информационным системам, которые с помощью баз данных обеспечивают сведения о строении электронных атомных оболочек как в табличном, так и графическом виде. Отмечены их достоинства и недостатки. Впервые представлена информационная система "Электронная структура атомов".

С первых шагов своего появления вычислительные комплексы начали использоваться при анализе физических моделей [1]. В исследованиях сложных объектов - электронных оболочек атомов - также применялись возможности вычислительной техники. В [2], например, детально разобраны компьютерные расчеты волновых функций методом Хартри-Фока [3]. В [4-6] использовалась программа АТОМ для вычисления в приближении Хартри-Фока волновых функций, сечений фотоионизации и сил осцилляторов, сечений возбуждения и ионизации электронным ударом. В [7] описан автоматизированный банк данных СПЕКТР по атомным константам ионов, приведены оценочные данные о спектральных характеристиках (уровнях энергии). В [8] предложен автоматизированный расчет в рамках метода Хартри-Фока с релятивистскими поправками при помощи программ Кауэна.

Дальнейшее развитие информационных систем (ИС) связано с табличным представлением и хранением данных об атомных константах (реляционные базы данных (БД) [9]). Упорядочение по совпадающим параметрам (положение термов и переходы между ними) способствует древовидному представлению данных, а это ведет к компактности БД и ускорению системы поиска. Преимущество компьютерной БД по сравнению с печатными изданиями (например, [10—14]) - возможность поиска по ключевым словам и их комбинациям, поиска различных линий элементов, лежащих в заданной области спектра.

Важным является и графическое представление электронной структуры атомов в виде диаграмм Гротриана. Графическое построение представляет собой двумерную задачу, в ней основными средствами служат отрезки линий, числовые и буквенные значения.

Компьютерная версия графики позволяет:

дать полную информацию об электронном строении атома в наглядной форме,

иметь возможность получения детализированной картины спектра путем изменения масштаба,

довольно быстро подобрать объект, представляющий интерес с той или иной точки зрения.

В настоящее время существует достаточно много ИС по спектральным данным в электронном виде [15]. Каждая развитая страна предпочитает иметь свой ресурс данных. Для описания общего состояния вопроса рассмотрим наиболее развитые ресурсы, содержащие экспериментальные и теоретические данные по спектрам атомов и ионов различной кратности.

Ресурс ASD NIST (Atomic Spectra Database NIST), версия 3.1.2 [16] поддерживается группой атомной спектроскопии подразделения атомной физики физической лаборатории NIST. Система содержит экспериментальные и теоретические данные об энергетических уровнях 56 и переходах 99 элементов (атомов и ионов разной степени ионизации), всего более 200 тыс. записей. Информация выводится в табличной или графической форме. При этом выводятся все уровни и переходы, известные системе.

Ресурс HASD [17] (Handbook of Basic Atomic Spectroscopic) - справочник по атомной спектроскопии. Поддерживается группой по атомной спектроскопии подразделения атомной физики физической лаборатории NIST USA. Содержит частичные данные об основных уровнях и переходах для 99 элементов (атомы и ионы). Информация представлена в табличной форме.

Ресурс TIPTOPbase [18] является частью Opacity Project (OP) и IRON Project (IP), в которых

участвуют исследовательские группы из Франции. Германии. Великобритании, США и Венесуэлы. Система содержит теоретические данные об уровнях и переходах для атомов и ионов изоэлек-тронных рядов. Информация выводится в табличной форме, графическая форма отсутствует.

Ресурс AMODS (Atomic, Molecular and Optical Database Systems) [19] поддерживается лабораторией квантовой оптики Корейского исследовательского института атомной энергии. Система содержит экспериментальные данные о радиационных переходах для 87 и энергетических уровнях для 35 элементов (атомы и ионы различной кратности). Информация выводится в табличной форме, графическая отсутствует.

Ресурс The Atomic Line List [20] (версия 2.04) поддерживается факультетом физики и астрономии Университета Кентукки (США) и Бельгийской королевской обсерваторией. Система содержит теоретические данные о переходах в области 0.5-10000 мкм для атомов и ионов различной кратности. Всего около 930 тыс. записей. Информация выводится в табличной форме, графическая отсутствует.

Ресурс Kurucz Atomic Line Database [21] поддерживается Гарвардским центром астрофизики и Национальным агентством по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA, USA). Система содержит экспериментальные данные о переходах 79 элементов (атомы и ионы разной степени ионизации). Информация выводится в табличной форме, графическая отсутствует.

Ресурс DAS [22] (Data for Autoionizing States) -база данных по автоионизационным состояниям. Совместная корейско-японская университетская программа. Содержит табличные данные об уровнях и переходах 27 элементов (атомы и ионы).

Ресурс Spectr-W3 [23] поддерживается Международным центром наук и технологий (Россия). Основной разработчик - Федеральный ядерный центр и Всероссийский НИИ технической физики. Система содержит экспериментальные данные об энергетических уровнях и переходах 94 элементов (в основном для изоэлектронных рядов). Информация выводится в табличной форме, графическая отсутствует.

Ресурс CAMDB (China Atomic & Molecular Database) [24] поддерживается Институтом прикладной физики и вычислительной математики Китая. Система содержит экспериментальные данные об энергетических уровнях и переходах атомов, ионов и молекул. Всего 850 тыс. записей. Данные частично взяты из ресурса Spectr-W3. Информация выводится в табличной форме, графическая отсутствует.

Ресурс CHIANITI [25] (версия 5.1) разработан группой исследователей из факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета, Лондонского университетского колледжа, Резерфордской лаборатории ионосферы, Военно-морской исследовательской лаборатории США и Флорентийского университета Италии. Система содержит экспериментальные и теоретические данные об уровнях и переходах для ионов с высокой степенью ионизации в области 0.1-60000 мкм. Информация выводится в табличной форме, графическая отсутствует.

Ресурс "Электронная структура атомов" (ЭСА) [26] разрабатывается специалистами из Новосибирского государственного университета (НГУ) и Института автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН (Россия), поддержан фондом РФФИ. Система содержит экспериментальные и теоретические данные по уровням 105 и переходам 98 атомов. Всего около 150 тыс. записей. Информация выводится как в табличной, так и графической формах.

Электронный ресурс ЭСА представляет собой ИС, опирающуюся на базу данных спектров атомов и ионов. ИС выполнена в традиционной для подобных систем трехуровневой клиент-серверной архитектуре (рис. 1). Существом этой архитектуры является согласованная работа трех компонент программного обеспечения: клиентской, промежуточной и серверной.

Программное обеспечение (ПО) клиентского уровня располагается непосредственно на компьютере пользователя и отвечает за представление ему информации в виде читаемых документов. В качестве ПО клиентского уровня используются только стандартные и свободно распространяемые программы: вэб браузер Internet Explorer с надстройкой для отображения векторной графики Adobe SVG Viewer.

ПО серверного и промежуточного уровней располагается на центральном компьютере - сервере информационной системы. ПО серверного уровня представляет собой систему управления базами данных (СУБД) и отвечает за хранение и предоставление по запросу численной информации об уровнях и спектрах атомных систем. В ИС ЭСА в качестве ПО серверного уровня применена СУБД MS SQL.

Наконец, ПО промежуточного уровня отвечает за подготовку по запросам пользователей из численных данных читаемых документов с их последующей передачей клиентскому ПО. В ИС ЭСА промежуточный уровень представлен совместно работающими сервером приложений, разработанным коллективом проекта, отвечающим за создание документов, и стандартным вэб сервером Internet Information Server, осуществляющим их передачу пользователям.

Рис. 3. Диаграмма Гротриана для атома Al I из NIST.

Документы с табличными данными формируются по пользовательским запросам, включающим несколько различных параметров, и допускают интерактивную сортировку и фильтрацию. Графические документы представляют собой визуализации спектральных данных атомов в виде диаграмм Гротриана. Имеются два принципиальных отличия графических документов ИС ЭСА от немногочисленных аналогов. Во-первых, реализованы алгоритмы эффективного отбора линий для размещения, так что получаемые в результате диаграммы Гротриана хорошо отражают основную структуру спектра атома и сочетают хорошую читаемость с высокой плотностью информа-

ции. В ряде других систем, в том числе в ASD NIST, отбор линий отсутствует, что приводит к полной потере читаемости диаграмм. Во-вторых, в ИС ЭСА диаграммы отрисовываюся в векторном формате, что не только дает (в отличие от применяемой в других системах растровой графики) высокое качество изображения на экранах любых мониторов, но и пригодно для печати твердых копий.

На рис. 2 представлена диаграмма Гротриана для атома Al I, построенная автоматически из БД ЭСА. В верхней строке рисунка расположены все известные электронные конфигурации, во вто-

Сравнительные характеристики NIST и ЭСА

Nd I

Рис. 4. Пример диаграммы Гротриана для атома Nd I, построенной с максимальным сжатием.

рои - атомные остатки, в третьей - принадлежащие им термы. Такая схема построения электронной структуры атома предложена в [27]. Показаны как ридберговские, так и автоионизационные состояния.

На рис. 3 показана диаграмма Гротриана для того же атома Al I, предлагаемая системой NIST.

Для более сложных атомов с большим числом уровней и переходов ИС изображают сжатую диаграмму, чтобы разместить на экране монитора. Сжатие происходит за счет:

одинаковой мультиплетности у термов одной конфигурации, например, термы ²S, ²D ²G и т.д. преобразуются в ²(...),

по моменту j, например, термы ⁴Р°_1/2, ⁴Р°_3/2и ⁴Р°_5/2преобразуются в ⁴P°_1/2-5/2.

В качестве примера на рис. 4 приведена сжатая диаграмма для атома Nd I, база которого содержит 710 уровней и 200 переходов.

Из приведенного краткого анализа следует, что только две ИС в мире - NIST и ЭСА - способны автоматически строить графические представления в виде диаграмм Гротриана. Сравним их более подробно (см. таблицу).

Как видим, ИС ЭСА НГУ не уступает самой известной системе NIST.

Таким образом, с целью совершенствования, хранения и обработки накопленной информации по атомным спектрам исследователи используют различные программы. Существующий в настоящее время уровень техники позволяет создавать и поддерживать БД по спектроскопической информации. Преимуществом компьютерной БД по сравнению с печатными изданиями является возможность поиска по ключевым словам и их комбинациям, поиск линий различных элементов, ле-

жащих в заданной области спектра. Возможность открытого доступа через Internet делает ИС доступными для широкого круга исследователей в различных областях науки и техники, образовательных процессах обучения в вузах.

Авторы благодарят A.M. Шалагина и Д.А. Шапиро за полезные обсуждения.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 05-07-90220).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жаблон К., Симон Ж.-К. Применение ЭВМ для численного моделирования в физике. М.: Наука, 1983. 235 с.

2. Fisher F. The Hartree-Fock Metod for Atoms. N.Y.: Wiley-Interscience, 1977.

3. Хартри Д., Дуглас P. Расчеты атомных структур. М.: Атомиздат, 1960. 271 с.

4. Амусъя М.Я., Чернышева Л.В. Автоматизированная система исследования структуры атомов. Л.: Наука, 1983. 180 с.

5. Вайнштейн Л.А., Сафронова У.И. Препринт ИСАИ № 2, Троицк, 1985.

6. Вайнштейн Л.А., Шевелько В.П. Препринт ФИАН № 19. М., 1983.

7. Бугаев В.П., Пальчиков В.Г., Скобелев И.Ю., Фае-нов А.Я. II Спектральные методы и средства измерения параметров плазмы многозарядных ионов. М.: НПО ВНИИФТРИ, 1988. С. 4-19.

8. Cowan R. The Theory of Atomic Structure and Spectra. Berkely: University of California Press, 1981.

9. Гасанов Э.Э., Кудрявцев В.Г. Теория хранения и поиска информации. М.: Физматлит, 2002. 288 с.

10. Moore Ch. Atomic Energy Levels. NSRDS-NBS 35, Washington: US DS Comm., 1971, V. 1-3.

11. Martin W.C., ZalubasR., Hagan L. Atomic Energy Levels the Rare-Earth Elements. NIST-NBS, Washington, 1978.414 р.

12. Baskin S., StonerJ. Atomic Energy Levels and Grotrian Diagrams. N.-Y., L.: J. Wiley, 1975-1982. V. 1-4.

13. Одинцова H.A., Стриганов A.P. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов. М.: Наука, 1982. 253 с.

14. Корлисс Ч., Бозман У. Вероятности переходов и силы осцилляторов 70 элементов. М.: Мир, 1968. 562 с.

15. http://plasma-gate.Weizmann.ac.il/dbfApp.html

16. http://physics.nist.gov/PhysReroata/ASD/index.html

17. http://physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/index.html

18. http://vizier.u-strasbg.fr/topbase/home.html

19. http://adoms.kaeri.re.kr/

20. http://www.pa.uky.edu/@~peter/atomic

21. http://www.cfa.harvard.edu/amp/ampdata/kurucz23/se-kur.html

22. http://wwwsolar.nrl.navy.mil/chianti_linelist.html

23. http://spectr-w3.cnz.ru/

24. http://www.camdb.ac.en/e/

25. http://www.colar.nrl.navy.mil/chianiti.html

26. http://asd.nsu.ru

27. Яценко А.С. Диаграммы Гротриана нейтральных атомов. Новосибирск: Наука, 1993. 136 с.