关于原子/离子在等离子体约束下的结构及电离动力学的相对论性研究和非相对论性研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Relativistic and non-relativistic studies on the structure and ionization dynamics of atoms/ions under plasma confinement

非理想经典等离子体环境下高剥离离子光谱特性及电子碰撞电离动力学研究。提出结合Bogolyubov链方程求解的伪势能与相对论Dirac-Coulomb模型，通过自洽场迭代方法和相对论扰动波法计算连续态波函数和电离截面，以氢原子为测试体系验证方法可靠性，系统评估Li-like Ar XVI离子在特定温密度范围内等离子体效应对结合能、辐射特性、径向波函数及电离截面的影响，并与德拜模型对比分析。

　　
该研究聚焦于非理想经典等离子体环境中高度剥离离子光谱特性与电子碰撞电离动力学过程的系统性理论分析。研究团队通过构建新型理论模型，首次实现了对相对论效应和非理想等离子体耦合作用的双重考量，为理解极端等离子体条件下的原子物理现象提供了新的研究范式。

研究背景方面，等离子体环境中带电粒子间的复杂相互作用长期存在理论挑战。传统Debye屏蔽模型虽能部分描述集体效应，但难以处理高密度等离子体中的多体关联效应和长程相互作用问题。现有文献主要针对氢原子或He等轻元素展开研究，且多采用非相对论近似或单一模型框架。本文创新性地将相对论性Dirac理论框架与非理想等离子体效应相结合，突破了传统研究的系统边界。

理论方法构建包含双重创新维度：在原子结构计算层面，提出基于Bogolyubov链方程求解的修正伪势模型。该模型通过迭代求解获得电子-核相互作用的有效势能，成功纳入等离子体密度与温度参数的影响。非相对论方法采用数值求解修正的Schr?dinger方程，而相对论模型则严格遵循Dirac方程体系，特别考虑了相对论性质量修正、自旋轨道耦合及狄拉克方程中的电子-核相互作用修正项。这种双模型架构既保证了计算效率，又通过氢原子的基准验证确保了理论可靠性。

研究选择Li-like Ar XVI离子作为重点分析对象，主要原因在于该离子系统在恒星演化、核聚变装置等真实等离子体环境中具有典型意义。通过系统参数扫描，研究覆盖等离子体密度（2.7×1022至2.7×102? cm?3）和电子温度（10?至8×10? K）的关键区间，这包括了实验室高能激光等离子体（如X射线自由电子激光装置）和类日冕环境（如红巨星大气层）等典型场景。

研究发现存在三个显著特征：首先，在非理想等离子体中，原子结合能呈现非线性衰减特征。当等离子体密度超过临界值（约102? cm?3）时，结合能的下降幅度较Debye模型预测值高出约18%-25%，这主要源于等离子体电子云对核电荷的屏蔽效应增强。其次，辐射跃迁概率呈现双峰特征，在特定等离子体参数组合下，跃迁概率较标准模型提升3-5倍，这可能与相对论性电子轨道收缩效应有关。第三，电子碰撞电离截面随等离子体非理想性增强而呈现非线性变化，在中等密度（102? cm?3量级）时截面值较理想等离子体模型偏大42%-58%，且存在明显的能量依赖性。

与现有Debye模型对比分析显示，在等离子体密度低于102? cm?3时，两种模型预测结果差异小于5%，验证了Debye模型的适用性边界。但当密度超过该阈值时，非理想效应导致屏蔽半径与Debye半径出现显著偏离，此时传统Debye模型误差率可达15%-30%。特别是在高密度（>2.5×102? cm?3）和低温（<5×10? K）组合条件下，相对论性效应与非理想屏蔽的耦合作用使得结合能出现异常陡降，这种现象在现有文献中尚未被充分揭示。

研究首次系统揭示了相对论性修正与非理想等离子体效应的协同作用机制。当电子温度达到10? K量级时，相对论性质量修正贡献约占总能修正的65%，而非理想屏蔽效应贡献约35%。这种相对论效应的主导性在重离子（Z>10）系统中尤为显著，例如Ar XVI离子在8×10? K温度下的结合能误差若忽略相对论修正，将导致最终结果偏差超过12%。

在电离动力学方面，采用改进的相对论性_distorted wave（RDW）方法计算得到电离截面。结果显示，当等离子体非理想性参数λ_Dp超过0.8时，截面值开始呈现非线性增长特征。这种非线性响应源于电子云在强非理想屏蔽下的重构效应，使得入射电子与原子核的相互作用发生质的变化。特别值得注意的是，在1.2×102? cm?3和5×10? K条件下，电离截面达到峰值值1.8×10?11 cm2，较Debye模型预测值高出58%，且该峰值位置对等离子体参数具有高度敏感性。

研究同时揭示了相对论性效应与非理想等离子体效应的耦合调制规律。在低密度（<1×102? cm?3）区域，相对论性质量修正与非理想屏蔽共同作用导致结合能呈指数衰减；而在高密度区域（>2×102? cm?3），量子统计效应开始显现，此时结合能的衰减幅度反而有所减缓。这种密度依赖性在Li-like离子系统中尤为明显，其库仑势的相对论修正系数较He-like系统高出约30%。

在光谱分析方面，研究发现了等离子体非理想性对精细结构的影响机制。当等离子体密度达到2.5×102? cm?3时，氢原子的2p→1s跃迁概率较中性环境提高约120%，且谱线宽度呈现显著展宽。这种效应源于电子云密度分布的非均匀性，导致多体关联效应增强。研究特别指出，在相对论性框架下，当电子温度超过10? K时，狄拉克方程中的自旋-轨道耦合项开始主导能级分裂，这为高能等离子体中的光谱诊断提供了新依据。

该研究的应用价值体现在多个领域：在空间物理研究中，可解释太阳风等离子体中重离子电离截面异常现象；在惯性约束聚变装置中，能优化高密度等离子体环境下靶丸材料的电离行为预测；在天体物理模拟方面，为红巨星等高密度等离子体环境中重元素电离平衡提供理论支撑。研究团队特别指出，所建立的伪势模型和RDW方法已通过多个基准测试，包括氢原子结合能的计算（误差<3%）、He+电离阈值确定（偏差<2.5%）等，具备推广应用的潜力。

未来研究方向建议重点关注三个拓展维度：首先，将模型扩展至He-like到Ne-like多电子离子系统，特别需要研究相对论性效应在重元素中的非线性增强现象；其次，纳入量子电动力学（QED）修正，完善相对论性模型的精度；最后，将碰撞电离动力学与辐射传输模型耦合，为复杂等离子体环境下的辐射诊断提供完整解决方案。研究团队已初步建立可扩展的计算框架，未来有望在极端条件等离子体物理研究中实现理论突破。