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文檔簡介
原子精密譜、強場中的原子
2013年6月現(xiàn)在的物理學(xué)處于什么樣的時代?物理學(xué)最關(guān)心的問題?(兩暗一黑三起源)物理學(xué)將來的突破口在哪里?(精密與極端)原子精密譜PartI做精密譜物理的意義(考慮到理論計算和實驗測量都能很高的精度):1)驗證QED理論(特別是束縛態(tài)QED),檢驗物理定律的自洽性。2)確定某些物理常數(shù),如,
2010年,Smicilas和Shiner[1]利用氦原子的23P0到23P2精細結(jié)構(gòu)間的躍遷并結(jié)合Pachucki[2]等人的最新理論計算,定出精細結(jié)構(gòu)常數(shù)為其中,(64)是實驗的不確定度,(4)理論計算的不確定度,(260)是沒有計算的其他項帶來的不確定度。3)驗證原子核模型
鋰原子的特性:含有三個電子,可以用來檢驗或驗證量子力學(xué)關(guān)于多體問題的一些結(jié)論,比如三個角動量的耦合理論等。氦原子的特性:最簡單的多體。[1]
M.SmiciklasandD.Shiner,Phys.Rev.Lett.105,123001(2010)[2]K.PachuckiandY.A.Yerokhin,Phys.Rev.Lett.104,070103(2010)“精密”一詞的含義計算誤差(數(shù)學(xué)):
高階項誤差(物理):要求:兩種誤差是可控的原子光譜實驗值原子核參數(shù)與核物理模型無關(guān)
驗證各種核物理模型理論與實驗結(jié)合原子與原子核交叉ee3He氫分子離子H2+,D2+,HD+:Schiller’s小組用Be+交感冷~mK,PhysicalReviewLetters98,173002(2007)驗證相對論和量子電動力學(xué),以及分子計算理論高精度定出質(zhì)量比值,例如me/mp
基本物理常數(shù)隨時間的變化理論進展:相對論與輻射修正6,7Li+精密光譜—2P態(tài)精細與超精細結(jié)構(gòu)Naturallinewidth3.7MHz
束縛態(tài)QED理論檢驗
精細結(jié)構(gòu)常數(shù)確定
核電荷半徑確定
2S-2P:
可見光、自然線寬窄
23S1亞穩(wěn)態(tài)壽命~50sLi+離子精密光譜
理論與實驗在MHz
到亞MHz
量級范圍內(nèi)符合高階QED效應(yīng)需要精度提高2-3個量級(kHz)摘自WijngaardenandNoble,Lect.NotesPhys.745,111(2008);[12]Riis&Drake,PRA49,207(1994);[17]ClarkeandVijngaarden,PRA67,012506(2003);[18]Kowalskietal,Hyp.Int.15/16,15(1983)Hylleraas坐標下關(guān)于氦原子的變分計算成果結(jié)論:氦原子薛定諤方程的精確求解工作做得非常好!YearAuthorsNEnergyn1928Hylleraas6-2.9032441957Kinoshita39-2.903722561962Schwartz189-2.90372437691986Freundetal.230-2.90131998Goldman8066-2.9119594182002Drakeetal.2358-2.9119598305202002Korobov5200-2.91195983111587242006Schwartz24099-2.9119598311159245194430983844Hylleraas坐標下關(guān)于鋰原子的變分計算成果YearAuthorsNEnergyn1963Burke13-7.4779531968Larsson60-7.47802551986Kingetal.352-7.47805851991McKenzieandDrake1134-7.47806031281995YanandDrake1589-7.47806032192008Yanetal.9557-7.478060323892102009PuchalskiandPachucki13944-7.4780603239095112010PuchalskiandPachucki30632-7.47806032391009713結(jié)論:鋰原子薛定諤方程的精確求解難度很大,進展緩慢!3.基本積分
在計算哈密頓矩陣元時,所有的積分都可以化為下面的形式
PRA2011,2013MotivationsDiscoveryofhugemagneticfieldsinthevicinityofwhitedwarfstars(B=102~105T)andneutronstars(B=107~109T).(Kempetal.1970;Angel1978;Angeletal.1981;Trümperetal.1977;Trümperetal.1978)Rapidlytime-variablemagneticfieldswithpeakvaluesupto1011Tinheavy-ioncollision(RafelskiandMüller1976)Exitonswithsmalleffectivemassesandlargedielectricconstantsinsemiconductors(R.J.ElliottandR.Louden,1960).Generalproblemsforatomsunderconditionswhichcanneverberealizedinterrestriallaboratory.StrengthofmagneticfieldsWeakfields:fields<<CoulombpotentialIntermediatefields:field~CoulombpotentialStrongfields:field>>CoulombpotentialTwomethodtoobtainstrongfields.(1)verystrongfieldsforlowexcitedstates;(2)weakfieldsforRydbergstates.白矮星102--105
T
中子星107--109
T
當外場強度強到洛侖茲力足以與庫侖力相比較甚至更高時,會對原子的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生根本的影響。研究體系在強場下的性質(zhì),成為理論研究中的一個較新領(lǐng)域。柱坐標下CI方法計算得到的磁場下He原子的數(shù)據(jù),證實了磁白矮星GD229光譜中的吸收邊來自于強磁場下(約50000T)的He原子。主要應(yīng)用:
研究白矮星、中子星光譜其它應(yīng)用:
Tokmak核聚變,激光同位素分離,
紅外和微波輻射的高靈敏探測等領(lǐng)域也要用到原子外場效應(yīng)的研究成果。HeE0=2.903715a.u.PRA2009,WangandQiao強激光場與原子的相互作用PartIII強激光場中的重要現(xiàn)象多光子躍遷與多光子電離高次諧波的產(chǎn)生隧道電離與閾上電離電離抑制
n個?ω?ω’=n?ω強激光場研究概況1950年,HughesandGrabner:首次觀察到射頻范圍內(nèi)的多光子躍遷。1961年,KaiserandGarret:首次觀察到晶體中的多光子吸收。1979年,Agostini:研究惰性氣體的自由-自由躍遷。目前,高次諧波,隧道電離以及電離抑制等現(xiàn)象都已經(jīng)從實驗上觀察到了。主要的理論方法微擾法:只適用于不太強的激光場解析或半解析的方法:可得到定性結(jié)論,難得到精確定量結(jié)果。比如:1965年提出的短程庫侖勢模型,Volkov矢展開等。直接數(shù)值求解法:能得到定量上比較精確的結(jié)果,但實現(xiàn)起來有一定的困難,并難以處理較復(fù)雜的體系。主要的直接數(shù)值求解法Floquet方法劈裂算符法有限差分法Close-coupling方法最小二乘法偽譜擬合法(我們的工作)(PRA,2002,2010)Highorderharmon
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