Введение к работе
Актуальность работы
Атомная физика остается одним из основных инструментов проверки теорий фундаментальных взаимодействий при низких энергиях. Развитие вычислительной техники и новых теоретических методов за последние десятилетия позволило достигнуть значительного прогресса в изучении электронной структуры вещества и, в частности, в исследованиях различных физических свойств атомов и молекул. С другой стороны, продолжают постоянно совершенствоваться экспериментальные методы исследований, дающие высокоточные результаты вплоть до 10~14 относительной погрешности. Сравнение теоретических и экспериментальных данных позволяет не только интерпретировать результаты измерений, но также открывает широкие возможности для проверки ряда фундаментальных теорий. Высокая точность результатов позволяет исследовать тончайшие эффекты, которые имеют место в атомных системах. В частности, анализ такого рода сравнений дает дополнительную информацию о распределении электрического заряда и магнитного момента по объему ядра, позволяет уточнять значения средне-квадратичных радиусов ядер, получать знания о ядерных спинах, тестировать квантовую электродинамику (КЭД) в новой области, уточнять значения фундаментальных констант, исследовать возможные вариации во времени постоянной тонкой структуры и отношения массы электрона и протона, позволяет получать информацию о далеких астрономических объектах и т. д. Результаты теоретических расчетов электронной структуры многозарядных ионов, нейтральных атомов и молекул нужны для успешной реализации таких важных проектов, как исследование эффектов несохранения пространственной и временной четности, измерение массы нейтрино, изучение физических и химических свойств сверхтяжелых атомов, а также для интерпретации целого ряда астрофизических измерений.
Исследование многозарядных ионов имеет ряд преимуществ. Данные системы имеют относительно простую электронную структуру с малым количеством электронов по сравнению с нейтральными атомами, что поз-
воляет с высокой точностью рассчитать межэлектронное взаимодействие. Это действительно очень важно, поскольку учет электронных корреляций до сих пор остается основным источником погрешностей в анализе экспериментов с нейтральными атомами. Многозарядные ионы, из-за более сильного перекрывания электронной волновой функции с ядром, более чувствительны к внутренней структуре ядра. И, конечно, релятивистские и КЭД эффекты проявляются в многозарядных ионах значительно сильнее, чем в нейтральных атомах. При этом кулоновское поле ядра, в котором находятся электроны, является наиболее сильным полем, доступным в настоящее время для экспериментального изучения. Это дает возможность проверки КЭД в сильных электрических полях. Более того, в процессах низкоэнергетических столкновений многозарядных ионов возможно достижение свсрхкритичсского электрического поля, в котором происходит погружение основного уровня системы в отрицательно-энергетический дираковский континуум (см., например, [1,2]). Исследование такого рода эффектов открывает новые возможности для проверки КЭД в физике многозарядных ионов.
Настоящая диссертация посвящена релятивистским расчетам уровней энергии и сечений перезарядки многозарядных ионов методом Дирака-Фока-Штурма (ДФШ). Цель работы Основными целями диссертации являются:
Систематические вычисления эффекта отдачи ядра для последовательности литиеподобных ионов методом ДФШ.
Систематические вычисления поправок высших порядков на межэлектронное взаимодействие к уровням энергии литиеподобных ионов методом ДФШ.
Исследование влияние эффекта деформации ядра на уровни энергии многозарядных ионов.
Прецизионные теоретические расчеты энергий 2pj — 2s переходов
для последовательности литиеподобных ионов в среднем диапазоне заряда ядра Z.
5. Разработка релятивистского метода расчета перезарядки в процессах низкоэнергетических столкновений водородоподобного иона с голым ядром.
Научная новизна работы
В диссертации получены следующие новые результаты:
Проведены прецизионные релятивистские расчеты эффекта отдачи ядра в первом порядке по отношению масс электрона и ядра т/М и во всех порядках по \jZ для 2pj-2s переходов в литиеподобных ионах. Получены значения констант, определяющих эффект отдачи ядра с учетом КЭД поправок в нулевом порядке по 1/Z в широком диапазоне заряда ядра Z = 3 — 92. Исследована относительная роль релятивистского, КЭД и корреляционного вкладов в полное значение эффекта отдачи ядра.
Методом ДФШ вычислены поправки на межэлектронное взаимодействие третьего и более высоких порядков по 1/Z к энергиям 2pj-2s переходов в литиеподобных ионах. Получены прецизионные значения вклада в энергию от электронной структуры (сумма ди-раковских энергий невзаимодействующих электронов и поправок на электрон-электронное взаимодействие) для последовательности литиеподобных ионов Z = 3 — 92.
Исследовано влияние эффекта деформации ядра на уровни энергии в тяжелых ионах. Получены приближенные аналитические формулы для поправки на распределение заряда ядра к уровням энергии и изотопическим сдвигам в атомах с деформированным ядром.
В результате проведенных в данной диссертации расчетов получены наиболее точные теоретические значения энергий 2pj-2s переходов в литиеподобных ионах в интервале значений заряда ядра Z = 3 — 60.
5. На основе двухцентрового базиса ДФШ разработан метод релятивистского расчета процессов низкоэнергетических столкновений во-дородоподобного иона с голым ядром. В рамках развитого метода проведены релятивистские расчеты вероятностей и сечений перезарядки в низкоэнергетических столкновениях водородоподобного иона с голым ядром.
Научная и практическая ценность работы
Продемонстрирована эффективность метода наложения конфигураций в базисе ДФШ для релятивистских расчетов эффекта отдачи ядра и поправок высших порядков на электрон-электронное взаимодействие в литиеподобных ионах. Выполненный в диссертации расчет в комбинации с КЭД поправками является в настоящее время самым точным расчетом эффекта отдачи и одним из наиболее точных расчетов корреляционных поправок в литиеподобных многозарядных ионах.
Полученные значения поправки на отдачу ядра в комбинации с поправкой на конечное распределение заряда по ядру позволяют получить наиболее точные значения изотопических сдвигов в литиеподобных ионах.
Изучено влияние распределения заряда деформированных ядер на уровни энергии тяжелых ионов. Улучшено значение среднеквадратичного радиуса ядра 238U, (г2)1/2 = 5.8569(33) фм. Улучшено теоретическое значение лэмбовского сдвига основного состояния 238U + и энергии 2р!/2 ~ 2s перехода в 238U +. Сравнение полученных теоретических значений с экспериментальными данными позволило протестировать КЭД на уровне 0.2% в первом порядке по а и на уровне 6.5% во втором порядке по а, где а - постоянная тонкой структуры.
В диссертации собраны все теоретически известные вклады в энергии 2pj-2s переходов в литиеподобных ионах со значениями заряда
ядра в диапазоне Z = 3 — 60. Полученные (наиболее точные на сегодняшний день) теоретические значения энергий переходов сравниваются с экспериментальными данными.
Метод ДФШ и развитые в диссертации алгоритмы его применения позволяют производить расчеты эффекта отдачи и высших порядков электрон-электронного взаимодействия не только для литиепо-добных ионов, но и для произвольных атомов и ионов.
Разработана уникальная техника расчетов процессов низкоэнергетических столкновений многозарядных ионов. Проведены систематические расчеты вероятностей перезарядки в низкоэнергетических столкновениях водородоподобного иона с голым ядром, в том числе и в случае сверхкритического суммарного заряда ядер.
Апробация работы и публикации
Работа неоднократно докладывалась на семинарах кафедры квантовой механики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета. Ее результаты также были представлены на семинарах в Институте теоретической физики Технического университета Дрездена (Германия), на международных конференциях в Граце (EGAS 2008: European Group for Atomic Systems), Ланчьжоу (SPARC 2010: Stored Particles Atomic Physics Research Collaboration), Шанхае (HCI 2010: International Conference on the Physics of Highly Charged Ions), Айзенахе (EMMI workshop 2010: Physics Prospects at the ESR and HITRAP), Шпайере (EMMI workshop 2010: Particle Dynamics Under Extreme Matter Conditions) а также всероссийских конференциях в Санкт-Петербурге (Всероссийское совещание по Квантовой метрологии и фундаментальным физическим константам, 2008) и Москве (XXIV Съезд по спектроскопии, 2010). Основные результаты работы опубликованы в соавторстве в шести статьях, приведенных в конце автореферата. Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, двух приложе-
ний и содержит 143 страницы, 13 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 209 наименований.
