Введение к работе
Актуальность теш. В развитии квантовой теории спектроскопия играла и играет важнейшую роль. С одной стороны, на первом этапе развития теории, она являлась основным источником новой информации, которая требовала своего теоретического осмысления, с другой, впоследствии- она выступала в качестве пробного камня, на котором проходили и' проходят проверку теоретические гипотезы. Такой была ситуация со спектрами, с попытки объяснения которых началась собственно квантовая теория, так было и с лэмбовским сдвигом энергетических уровней электронов в поле ядра, существование которого было сначала предсказано теоретически, и уже после- подтверждено экспериментально.
На сегодняшний день в спектроскопии ведется ряд экспериментов, ставящих своей целью, прежде всего, выяснение границ применения современного квантово-электродинамического (КЭД) подхода. Дело в том, что современная КЭД в основном представляет совокупность взаимосвязанных методов, в целом отражающих законы микромира и позволяющих на своей основе решать некоторые конкретные задачи. Однако до конца последовательного и внутренне непротиворечивого подхода к процессам, протекающим в микромире, так и не было развито, несмотря на усилия многих авторов. До сих пор теория сталкивается с проблемой ультрафиолетовых расходимостей. Разработанный для их преодоления метод бесконечных перенормировок решает эту проблему лишь частично. При рассмотрении атомных систем, в отдельных случаях, процедура перенормировки сама приводит к появлению дополнительных расходимостей, называемых поверхностными. Наряду с этим, наиболее распространенный, квазистационарный, метод описания нестабильных состояний, основанный на возможности в первом приближении представлять данное состояние как стационарное, приводит к удовлетворительным результатам лишь в том случае, когда взаимодействие атома с собственным полем излучения оказывается достаточно слабым. Это находит свое выражение в требовании, чтобы ширины энергетических уровней, между которыми происходят переходы, были
много меньше расстояния мекду этими уровнями.
В связи со сказанным, возникает вопрос о постановке в спектроскопии экспериментов, которые каким-либо образом могли бы выявить скрытые противоречия современной теории и указать на возможности их преодоления. Эти .эксперименты могут быть связаны, прежде всего, с изучением спектров многозар?:дных ионов, где, в силу больших зарядов ядер, поведение полей и объектов в них становится критическим, а вклад аффектов, играющих роль поправок при более слабых полях- существенным. Примером такой задачи является исследование механизма естественного уширения спектральных линий нестабильных состояний в многозарядных ионах, описание. которых в рамках классического КЭД подхода весьма затруднено, в силу невыполнимости условия квазистационарности. В таких экспериментах можно было бы ожидать появления новой информации о квантовом электродинамическом взаимодействии. Результаты этих исследований смогли бы прояснить значение и роль фундаментальных предположений об электромагнитном взаимодействии таких, как его перенормируемость, локальность и калибровочная инвариантность, поскольку вопрос о необходимом существовании этих требований для построения удовлетворительной квантовой теории до сих пор остается открытым. С другой стороны, эти исследования смогли бы дать развитие новым методам описания спектров и, тем самым, способствовали бы расширению возможностей самой квантовой теории.
Целью исследования являлось изучение особенностей естественного уширения спектральных линий в спектрах многозарядных ионов для состояний с перекрывающимися энергетическими уровнями и одинаковыми J, J и четностью, обусловленных сильным взаимодействием атомной системы с собственным полем излучения.
Научная новизна проведенной работы заключается в том, что для исследования задачи привлекался нестандартный метод (так'называемый формализм релятивистской Т-матрицы), основанный на общих физических принципах и развитый в работах Гайнутдинова Р.Х. С помощью этого подхода удалось достигнуть результатов в области, где классическое описание процессов,
і 1
протекающих в атомных системах, сильна затруднено, ввиду появления в вычислениях поверхностных расходимоствй. Модельные расчеты, проведенные на основе формализма релятивистской Т-матрицы, позволяют сделать предположение о существовании эффекта расщепления спектральных линий в случае перекрывания энергетических уровней с одинаковыми J, J и четностью. В то же самое время, в результате анализа неприводимых КЭД диаграмм, показано, что в рамках Т-матричного формализма, ультрафиолетовые расходимости возникают только в диаграммах, связанных с поляризацией вакуума фотоном, и являются более слабыми, чем аналогичные расходимости классической КЭД. Это открывает новые возможности для разработки методов расчета атомных характеристик, в своей основе не апеллирующих к процедуре бесконечной перенормировки. Также, в рамках указанного формализма, получен результат, выражающий зависимость формы естественного уширения спектральных линий в случае перекрывания уровней при обобщенном задании механизма взаимодействия атомной системы с собственным полем излучения.
Научная ценность и практическая значимость работы состоит в том, что продемонстрирована возможность создания эффективного метода расчета атомных характеристик, который может быть применен и в случае менее экзотическом, нежели перекрывание энергетических уровней. На основе решения уравнений метода релятивистской Т-матрицы строится алгоритм, позволяющий проводить такие расчеты. Создан комплекс программ по расчету вспомогательных атомных характеристик. -Результаты проведенных исследований позволяют в дальнейшем начать последовательное изучение различных способов описания КЭД взаимодействия, и, на основе сравнения результатов с реальными спектрами, предоставляют возможность выбора адекватной модели этого взаимодействия.
Достоверность результатов обеспечивается точностью проводимых вычислений и совпадением их с результатами, полученными в рамках стандартных методов, в случаях, которые удовлетворительно описываются классическим' подходом. Так, при модельном удалении друг от друга перекрывающихся энергетических уровней с одинаковыми J, J и четностью, форма естествен-
ного уширения спектральных линий, соответствующих переходам с данных уровней, стремится к лоронцевской, то есть описание нестабильных состояний становится квазистационарным. Помимо этого, из полученных формул для контура естественного уширения, в виде частного случая, следуют результаты, полученные в условиях слабого перекрывания на основании метода адиабатической S-матрицы.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
В рамках метода релятивистской Т-матрицы исследована зависимость контура естественного уширения спектральных линий атомов от степени перекрывания энергетических уровней с одинаковыми полным моментом, его проекцией и четностью.
-
Получено аналитическое решение уравнений метода релятивистской Т-матрицы, которое позволяет описывать контура спектральных линий в случае перекрывания энергетических уровней.
-
Построена модель, позволяющая исследовать низкоэнер-Гбтический вклад в естественное уширение процессов, протекающих в атомных системах с перекрыващимися энергетическими уровнями. В рамках этой модели проведены численные расчеты контуров естественного уширения спектральных линий, соответствующих переходам из двазды возбувденных состояний Не- и Ы-подобного иона урана.
-
Результаты этих модельных исследований показали, что взаимодействие атомной системы с собственным полем излучения в случае перекрывания энергетических уровней с одинаковыми J, J и четностью становится настолько сильным, что может приводить к существенной деформации контуров соответствующих спектральных линий.
-
Проведено исследование проблемы последовательного КЭД описания контуров спектральных линий, связанной с ультрафиолетовыми расходимостями. Показано, что в случае перекрывания энергетических уровней с одинаковыми J, J и четностью проявляются трудности квантовой электродинамики, связанные с поверхностными расходимостями. Вместе с тем показано, что неприводимые диаграммы стандартной теории в рамках метода релятивистской Т-матрицы имеют более низкие степени расходи-
мости, что открывает новые возмокности для исследования КЭД процессов эволюции атомов.
6. На основе решения уравнений метода релятивистской Т-матрицы получена формула для контура естественного уширения при перекрывании энергетических уровней с одинаковыми J, J и четностью в случае обобщенного механизма взаимодействия атомной системы с собственным полем излучения, которое позволяет в дальнейшем начать последовательное изучение негамиль-тоновых методов описания КЭД процессов в атомах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: I и III Всесоюзных семинарах по атомной спектроскопии (Ростов-Великий 1990, Черноголовка 1992), Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ленинские горы-95", неоднократно на итоговых, научных конференциях Казанского государственного университета. Но материалам диссертации опубликованы одна статья в ЖЭТФ и 3 статьи депонированы в ВИНИТИ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет 123 страниц, включая 28 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 82 наименования.
