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主要研究方向介绍：
( 1 ) 超重原子的结构和性质的研究 超重原子是目前国际原子物理和核物理研究中的共同热点和难点问题之一。理论上，由于超重元素原子中包含大量电子，电子之间的关联效应非常复杂；同时，由于超重原子激发态的能级结构比较复杂，邻近能级的简并非常明显，特别是在这些原子中，存在着很强的相对论效应和量子电动力学（ QED ）效应，理论处理非常复杂；在实验上，由于超重元素几乎都是放射性元素，半衰期很短，在元素合成实验中能够收集到的样品很少，实验测量对技术的要求非常高。如果没有前期的足够准确的理论结果作参考，实验成功的可能性很小。我们在先进的 相对论多组态 Dirac-Fock 理论方法基础上，通过系统地考虑相对论效应、电子关联效应和量子电动力学效应， 从理论上准确预言了原子序数为 100 的 Fm 、 103 的 Lr 、 107 的 Bh 、 108 的 Hs 以及 112 的 Uub 元素的低激发态的结构和电离特性。其中，有关 100 号元素 Fm 的 两个最低的共振激发态 的理论预言已被 德美科学家用双光子共振电离光谱（ RIS ）方法第一次快速准确地从实验上得到了证实。 我们合作发表在 Phys. Rev. Lett. 上的关于超重元素镄的电子能谱结构的实验和理论研究结果得到了学术界的高度重视，著名科学评论 媒体如《 Science News 》、《 Physical Review Focus 》和《 Laser Focus World 》等都对此成果进行了专题报道，称此项工作 “ 为进一步开展放射性元素的原子性质的研究投下了第一缕曙光 ”。
( 2 ) 双电子复合及其相关的原子过程的研究 电子 - 离子碰撞的双电子复合及其与此相关的原子过程的研究是目前原子物理领域中的一个非常活跃的领域。双电子复合是指一定能量的入射电子与靶离子碰撞，使靶离子中的一个束缚电子激发到某个激发态，同时入射的自由电子被靶离子俘获到另一个激发态，而形成一个共振双电子激发态。随后，这个双激发态通过发射光子而形成复合离子态。双电子复合与许多其它的原子过程如辐射复合、共振激发及双电子伴线发射等有密切的关系，直接影响着等离子体的电离平衡和等离子体的光谱特性。因此，对这一过程的研究对于揭示离子的双激发态结构及其衰变规律，理解实验室等离子体、天体物理等离子体、Ｘ射线激光等离子体及核聚变等离子体的动力学过程和行为具有十分重要的理论和潜在的应用前景。近年来，在国家自然科学基金项目（编号 19874051 ）的资助下，在与李家明院士和王建国研究员密切合作的基础上 , 我们进一步发展了一套能够系统处理任一离子的任一双电子复合过程的多组态相对论理论方法和程序。详细研究了双电子复合过程中的电子俘获率、辐射衰变率、 Auger 衰变率及双电子复合率沿通道的变化特性，计算了一系列离子的双电子复合截面。同时，以此为基础，研究了离子－原子碰撞的共振电荷转移和激发过程、共振电子碰撞激发、电离及其相关的高级过程。本项研究工作的主要创新性在于提出了对无穷多的共振双激发态按激发和俘获通道的通道划分原则。由此我们可以对复合过程进行方便地分类和排序，从而有效地处理任意复杂离子态的所有可能的双电子复合过程，并可以系统地考虑包括连续态作用在内的组态相互作用对双电子复合过程的影响。
( 3 ) 高离化态离子的能级结构及衰变特性的研究 高离化态离子能级结构和衰变特性的理论和实验研究一直是人们非常感兴趣的课题。实验室等离子体、惯性约束聚变过程、激光等离子体以及太阳和各种宇宙光源都是由高离化态离子组成。同时，光子、电子与原子碰撞也会形成各种高离化态离子。高离化态离子可以处在基态及单激发态，也可以处在内壳层激发态、双电子激发态及高激发态等。这些高激发态通常都是不稳定的，可以通过辐射或非辐射（ Auger ）过程向低能态衰变。系统地研究这些离子的能级结构和衰变特性对于理解等离子体中的能量输运机制、进行等离子体状态的诊断、确定等离子体及宇宙星体中各种元素的丰度以及对等离子体光性的测量都有非常重要的物理意义。近年来，在国家自然科学基金项目（编号 10274062 ）的资助下，在先进的相对论多组态 Dirac-Fock (MCDF) 理论方法的基础上，通过与德国卡塞尔大学的 S. Fritzsche 教授的密切合作，先后发展了能够统一处理相对论效应、电子关联效应、驰豫效应和量子电动力学效应的计算原子辐射和非辐射跃迁特性的理论方法和程序（ REOS99 和 AUGER ）。我们的理论方法和计算程序的先进性主要体现在：（ 1 ）活动空间方法被用来系统增大原子态波函数的展开基（可以包括几万个电子组态），从而可以很好地考虑电子关联效应；（ 2 ）通过对衰变初、末态波函数的分开独立优化，使轨道驰豫效应直接包括在初、末态波函数的计算中；（ 3 ）在跃迁矩阵元的计算中，进一步考虑了由于初态和末态波函数的非正交性而引起的重迭积分的贡献，提高了计算的精度；（ 4 ）采用了国际上最先进 FORTRAN 90/95 编译平台中的动态存储技术，解决了由于系统考虑电子关联效应和驰豫效应后引起的大规模计算对计算机硬件的特殊需求。利用这一理论方法和计算程序，我们对涉及天体物理、实验室等离子体、惯性约束聚变、 X 射线激光等研究领域中非常感兴趣的大量高离化态离子以及与闪电过程有关的离子的能级结构和光谱特性进行了研究。这些研究都涉及目前原子物理学研究领域的前沿和热点，对相关领域的实验和应用研究具有重要的理论指导和参考价 值。例如，有关类 Ne 和类 Ni 等电子系列离子的大约 7 万个能级和光谱的理论预言数据已经被 “CODATA 中国理化数据库 ” 收集；关于高离化态铀离子的异常强的 1s2s^2 – 1s^22p 两电子一光子跃迁的预言结果，引起了德国重离子物理研究中心（ GSI ）的 Stoehlker 教授领导的研究小组的高度重视，并得到了他们专门在 GSI 的重离子储存环（ ESR ）上设计的相应实验的验证。该研究也引起了德国 Giessen 大学的 W.Schield 教授的兴趣，邀请本人到 Giessen 大学作了专题报告。通过本项工作，我们已经和（ GSI ）的 Stoehlker 教授领导的研究小组建立了良好的合作关系，并开展了一系列富有成效的合作研究。
(4) 激光等离子体光谱的研究 激光与原子分子和物质的相互作用属于原子分子物理学、光学、等离子体物理学及凝聚态物理学的交叉研究领域。在这一研究领域，我们建立了由一个包括高功率激光器、真空靶室系统、真空紫外和可见光谱分析观测系统的激光等离子体光谱实验室，依托该实验室及中国工程物理研究院激光聚变中心（原西南核物理与化学研究所）和爱尔兰都柏林大学的相关实验室，开展了以下几个方面的实验观测、理论分析和模拟工作 : （ 1 ）在实验上观察了一系列中高Ｚ元素的离化态离子的线状发射光谱，通过细致的原子结构理论计算和分析，建立了相关的能谱数据；（ 2 ）研究了强激光产生的 Al 等离子体光谱的时空演化以及随气压的变化特性；（ 3 ）观察了 Kr 、 Hf 和 Xe 元素的类 Ne 、类 Ni 及其近邻电离态离子产生的半连续带状Ｘ射线光谱的结构，分析了旁观电子对谱线加宽的影响。在热动平衡近似和高温条件下，通过考虑个别谱线的展宽和大量谱线的重叠效应，合理地解释了这些光谱的性质及其产生原因，探讨了其在高温等离子体状态诊断中的可能应用；（ 4 ） 发展了一个能够进一步细致考虑激光等离子体中的离子态布居的局域热动平衡近似和非局域热动平衡近似模型，分析了在 都柏林大学激光等离子体光谱实验装置上观测到的锡离子的 13.5nm 附近的半连续谱带的产生机理，获得了产生 13.5nm 辐射的最优等离子体温度和密度条件。这是我们目前正在进行的和爱尔兰都柏林大学的国际合作研究项目（编号 CI-2004-07 ）。该项目的目标是从理论和实验两方面探讨各种离化态离子同时存在时产生的谱带的结构，研究激光能量、脉冲宽度、等离子体参数对其发光特性的影响，获得有可能成为下一代半导体光刻技术所需的高亮度极真空紫外（ EUV ）光源的锡离子的 13.5nm 波段范围的光谱的完整数据，为工业上制造出能够在该波段长时间、高效率、稳定运行的 EUV 光源提供理论依据和指导。
(5) 光电离与辐射复合过程的研究 光与原子的相互作用是原子分子物理学中最重要的研究领域之一。当一个频率为 的光子作用于原子的时候，如果光子能量高于或等于原子中某壳层电子的电离能，则该电子在吸收光子能量之后可能会被电离而形成自由电子，这就是原子的光电离过程。辐射复合（ RR ）过程是光电离的逆过程。当入射的自由电子被离子俘获到其某个束缚轨道上时，多余的能量便以光子的形式释放出来。原子 ( 离子 ) 的光电离和辐射复合过程与惯性约束聚变、 X 射线激光以及天体等离子体中的热稠密物质的能量传输与分配是密切相关的。为了真实模拟等离子体中不同元素的各种电离度原子的相对丰度、电离平衡、光谱特性及平均电离度等，光电离和辐射复合过程的截面等数据是必不可少的。最近，在北京应用物理与计算数学研究所的外联项目（编号 DW-2004-01 ）的支持下，在相对论多组态 Dirac-Fock 理论方法和大规模原子结构和辐射跃迁性质计算程序 GRASP92 的基础上，我们新发展了一套基于 Linux 操作环境和 Fortran 90/95 编译平台的能够系统处理光子与具有任意壳层结构的原子（离子）相互作用的辐射复合过程及其逆过程（光电离）的方法和程序。“与已有的其他理论方法和程序相比，该程序的主要特点在于它不但能够系统地包括初、末态的电子关联效应，而且能够同时处理辐射场的多极效应。该程序结构设计合理，所用理论方法先进，计算功能完整，应用范围广泛，人机交互界面友好，与其他理论方法所得结果相比精确度高”。可以预期，该项课题对于进一步深入开展原子特别是高离化态离子的内壳层光电离过程的理论和实验研究以及各种相关的应用将提供强有力的理论工具。
(6) 电子与离子的碰撞激发及其相关过程的研究 电子与离子的碰撞激发是原子物理学中的一个基本问题。电子碰撞激发截面和速率系数等碰撞参数，在可控热核聚变、 X 射线激光、高温等离子体物理以及天体物理等领域的研究中有广泛的应用。近年来，随着离子冷却储存环和电子束离子阱等实验装置的发展，人们已能获得极高 Z 的高电荷态离子，电子与这些离子的非弹性碰撞研究已成为原子物理研究中的一个热点。然而，由于电子与离子碰撞参数的实验测量比较困难，也非常有限，因此实际应用所需要的大部分数据只能由高精度的理论计算提供。最近，在国家自然科学基金项目（编号 10376026 ）的资助下，在先进的原子结构和性质的相对论多组态 Dirac-Fock 理论方法和计算程序 GRASP92 的基础上，我们新发展和建立了一套研究电子离子碰撞激发过程的全相对论扭曲波方法和计算程序 REIE06 。在这一理论方法和计算程序中，我们不仅能够系统地考虑相对论效应、电子关联效应、 QED 效应对能级和波函数的影响，而且还考虑了 Breit 相互作用和高分波等对碰撞参数的影响。在连续电子波函数的计算中，详细考虑了散射电子与靶原子中电子间的交换效应，采用了类似于求解束缚电子的相对论 Dirac 方程的自洽场方法。在“电子＋离子”构成的碰撞体系波函数的计算中，完整考虑了碰撞粒子间的耦合，采用电子与离子波函数的乘积构成的反对称化耦合波函数构造了碰撞体系的初、末态波函数。另外，为了考虑共振俘获自电离过程对电子碰撞激发截面和速率系数的影响，我们结合计算辐射跃迁几率的程序 GRASP92 和计算 Auger 几率的程序 AUGER ，在独立近似模型基础上构建了专门用来处理共振过程的新模块，使其不仅可以精确计算直接激发过程的截面，而且还可以计算间接过程的贡献。 由于目前的程序充分发挥了 MCDF 方法和扭曲波方法的优点，使得我们不仅可以很好地计算出靶离子的波函数，而且完整考虑了碰撞粒子间的耦合，与其他理论方法和相关程序（如 R-Matrix 和 Close-Coupling 等）相比，本理论方法和程序的计算更为快捷、方便；同时，由于目前程序的开发采用了国际上最新的 Fortran90/95 平台，其特有的动态存储技术，大大提高了程序运行的速度。目前，我们已经以电子与高离化态类氖离子碰撞激发为例，研究了高分波的贡献、共振激发过程的贡献以及电子关联效应对电子碰撞激发截面和速率系数的影响，通过与实验以及相对论 R-Matrix 和 Close-Coupling 等理论结果的比较，验证了目前理论方法和程序在处理电子与高 Z 高离化态离子碰撞激发过程的可靠性；同时，以电子与类铍 C 2+ 离子和中性 Xe 原子亚稳态的碰撞激发为例，展示了新程序在处理低能电子碰撞激发时的优点，弥补了以往非相对论和准相对论扭曲波方法不能很好处理低能电子碰撞激发过程的缺陷。可以预期，本方法和程序可以被广泛地应用到从低能到高能各种能量范围的电子与离子碰撞动力学过程的研究中，从而为相关的实验研究和应用研究提供服务。
(7) 原子内壳层激发态的结构及其衰变动力学特性的论研究 原子的内壳层激发态的产生一般都与各种重要的原子过程相联系，如在高能量密度物质中高离化态离子的 X 光激发、 X 光电离、电子碰撞激发、电离以及离子碰撞激发和电离过程等都能产生离子的内壳层激发态，从而对系统的动力学演变特性产生影响。在过去的几十年里，人们对一些少电子原子的内壳层激发态和双激发态及其相关的辐射和非辐射过程已进行了较为深入的研究，积累了一些相关的经验，但仍有许多现象和机理还不是很清楚，特别是对于具有复杂结构的原子和高离化态离子，实验和理论上的数据更为缺乏。另外，原子内壳层激发态在衰变过程中所释放出的信息（如光谱和 Auger 电子谱）不仅直接反映了原子内部电子之间及其与原子核之间的各种相互作用性质，而且还可以揭示出原子内部的束缚电子和连续电子之间的相互作用性质，从而为更好地验证已有的原子结构理论和发展新理论提供更为完整的依据。近年来，我们已经在先进的相对论多组态 Dirac-Fock 理论方法基础上发展了一整套能够处理复杂原子及高离化态原子的结构及其与光子、电子和原子碰撞过程中形成的内壳层激发态、双电子激发态及高激发态的辐射 和 Auger 衰变过程的方法和程序，并利用此开展了以下几个方面的研究工作： 1) 复杂原子和高离化态离子的内壳层激发态结构的研究 ; 2) 内壳层激发态的驰豫动力学过程的研究 ; 3) 内壳层激发态寿命的研究 ; 4) 内壳层激发态的发射谱和 Auger 电子谱的研究。我们已经详细研究了 CsIV 的 4d 内壳层激发态、高离化态类氦 U 离子的 1s2s 激发态、类锂离子的 1s2s 2 内壳层激发态、类氦离子 2s 2 双内壳层激发态等的结构及其衰变特性以及洞态氩离子的退激发过程。可以预期，该课题对于进一步深入开展与原子的内壳层激发态相关过程的理论和实验研究提供强有力的依据和支持。
(8) 超精细结构及其跃迁特性的研究 原子的超精细结构是由于电子和原子核的电磁多极矩之间的相互作用产生的。超精细结构的理论研究与实验测量的紧密结合不仅已成为确定核多极矩的有力工具，而且由于超精细结构对于原子态波函数的形式很敏感，它还可以用于检验原子结构理论，帮助人们更好的了解原子中哪些效应是重要的、在考虑不同的原子性质时哪些效应应该被包括。超精细结构的理论计算精度在很大程度上依赖于原子中电子部分的计算精度。而电子关联效应、相对论效应和量子电动力学效应是目前原子结构计算中不确定性的主要来源之一，因此在处理超精细结构时我们必须对这些效应予以更全面系统地考虑。在这一研究方向，我们利用在 MCDF 理论方法基础上建立的原子超精细结构计算方法和程序 HFS ，对一系列 高 Z 类氢离子的基态超精细结构分裂以及相应的特性进行了研究；同时深入研究了电子关联效应对类铍等电子序列离子的 1s 2 2s2p 3 P 0,1 能级超精细结构的影响，指出了超精细相互作用对相关能级寿命影响的重要性。目前我们正在与立陶宛维尔纽斯大学理论物理与天文学研究所的 Gaigalas 教授以及瑞典 Malmo University 的 Jonsson 教授合作，进一步发展在相对论理论框架下计算超精细能级间的辐射跃迁特性的理论方法和计算程序。 |
