原子(离子)与分子的重粒子碰撞过程一直是原子物理研究的一个重要方向。重粒子碰撞电荷转移过程广泛存在于天体物理和实验室等离子体环境中，对离子电离平衡和能量输运都有重要影响[1]。

重粒子碰撞电荷转移过程（以离子与氢分子碰撞过程为例）包括

A^q+  + H₂ à A^(q-1)+ + H₂⁺ (single capture)

A^q+ + H₂ à A^(q-1)+ + 2H ⁺ + e (transfer ionization)

A^q+ + H₂ à A^(q-2)+ + 2H ⁺ à A^(q-1)+ + 2H ⁺ + e

（double-capture autoionization,）

最近的极端紫外和X射线探测卫星Extreme Ultraviolet Explorer 和Chandra X-ray Observatory（CXO）观测发现从很多慧星如Hale-Bopp[2] (图1, 图2) 和Hyakutake[3]及行星大气中发射极端紫外和X射线。Cravens[4] 和Haberli 等[5]认为这些极端紫外和X射线来源于高电荷态的太阳风粒子（如O^q+, C^q+和Ne^q+）与慧星中性粒子包括H₂O和它的解离产物 H, H₂, O, OH，和 CO，CO₂的碰撞电荷转移过程。Extreme Ultraviolet Explorer和 CXO的观测也确实在慧星Hyakutake发现了O^4-6+，C^4,5+和Ne⁷⁺线[6]，在慧星McNaught-Hartley发现了O⁶⁺和O⁷⁺线。类似地木星极光被相信是由于多电荷的O^q+和 S^q+离子（可能包括Na^q+和C^q+离子）与木星大气层中 H, He, H₂发生碰撞产生的。

图1

图2

目前，我国正在进行的“双星计划” (图3)，主要研究日地系统，即对人类活动产生直接影响的天体系统。包括太阳上层大气、日地行星际空间、地球磁层、电离层和中高层大气。其中地球空间(图4)是被太阳风包围着的、受地球磁场控制的空间区域，也是各种应用卫星、空间站和载人飞船运行的主要空间。在此区间会发生多种来源于太阳风粒子的重粒子碰撞过程，如在地球两极地区发生的极光部分来源于重粒子碰撞电荷转移过程(图5)。

图3

图4

图5

在磁约束的聚变装置中，研究发现在偏滤器附近的等离子体存在反常快速冷却的现象，这对清除等离子体中的杂质具有重要的意义(图6)。经过多年的研究认为这是氢离子与处于振动激发态的氢分子发生碰撞电荷转移引起等离子体的加速复合产生的[7]。

图6

而要定量地模拟这些过程必须准确地得到电荷转移截面，特别是态到态的反应截面。理论方面，由于问题的复杂性，一般都把它作为离子与原子靶的碰撞来处理，不考虑分子靶的振动态[8]。在高能区，人们发展了包括在Oppenheimer-Brinkman-Kramer (ORK)方法，Born,近似、扭曲波方法、Glauber近似、脉冲近似、Fadeev近似、经典及正交修正的紧耦合方法等来处理电荷转移[9]。Olsen等人[10]在上世纪七十年代建议利用Landau-Zener方法并结合Frank-Condon因子处理分子靶的振动态，但该方法是一种经验性的方法，计算精度不高。八十年代，Baer等[11]采用全量子的分子轨道方法计算了一价离子与氢分子的碰撞电荷转移过程，并包含了靶分子的振动态。最近Krstic等[12] 用全量子的分子轨道方法计算了氢离子与氢分子的碰撞电荷转移过程，并包含了解离部分。这两组计算都采用模型势计算势能面和耦合矩阵元，只能处理入射离子在低能区的碰撞过程。从九十年代末，Errea等[13]利用半经典的分子轨道强耦合方法处理了高价离子与分子氢的碰撞电荷转移过程。 Phillip等[14]则发展了全量子的分子轨道强耦合方法计算高价离子与分子氢的碰撞电荷转移过程，得到了振动态选择的电荷转移截面。近期，关于电荷转移的动力学过程的综述见文献[15].

[1] D. S. F. Crothers, Adv. In At and Mol. Phys. 17, 55, 1981, and references there in.

[2] A. Owens et al.,Astrophys. J. 493, L47 (1998).

[3] C. M. Lisse et al., Science 274, 205 (1996).

[4] T. E. Cravens, Geophys. Res. Lett. 24, 105 (1997).

[5] R. M. Haberli et al., Science 276, 939 (1997).

[6] V. A. Krasnopolsky et al., Astrophys. J. 549, 629 (2001).

[7] R. K. Janev et al., Phys. Plasma 7, 4364 (2000).

[8] E.g., R. Shingal and C. D. Lin, Phys. Rev. A 40, 1302 (1989);

W. Fritsch and C. D. Lin, Phys. Lett. A 166, 238 （1992）；

W. Fritsch and C. D. Lin, J. Phys. B 27,3461 (1994);

T. Kusakabe et al., Phys. Rev. A 62, 062715 (1999);

L. Pichl et al., J. Chem. Phys. 118, 4872 （2003）.

[9]  Robin Shakeshaft, Larry Spruch, Rev. Mod. Phys. 51, 369 (1979)

[10] R. E. Olsen and A. Salop, Phys. Rev. A 14, 579 (1976).

[11] M. Baer and H. Nakamura, J. Chem. Phys. 87, 4651 (1987); M. Baer et al., J. Chem. Phys. 88,1461 (1987).

[12] P. S. Krstic, Phys. Rev. A 66, 042717 (2002); P. S. Krstic et al., Phys. Rev. A 67, 022708 (2003).

[13] L. F. Errea et al., J. Phys. B 32, 4065 (1999); L. F. Errea et al., J. Phys. B 33, 3107 (2000); L. F. Errea et al., J. Phys. B 33, L615 (2000).

[14] J. G. Wang et al.,  Vibrationally-resolved charge transfer of O³⁺  with molecular hydrogen,  Phys. Rev. A (in press, 2004).

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