Квантовоэлектродинамические и корреляционные поправки к сверхтонкой структуре многозарядных ионов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.02, кандидат физико-математических наук Орешкина, Наталья Сергеевна

• Орешкина, Наталья Сергеевна
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Орешкина, Наталья Сергеевна

Введение

Единицы и обозначения

1 Квантовоэлектродинамическая теория сверхтонкого расщепления в многозарядных ионах

1.1 Релятивистское одноэлектронное приближение.

1.2 Поправки на структуру ядра.

1.3 Теория возмущений для расчета квантовоэлектродинамиче-ских и корреляционных поправок.

1.4 Вывод формул для поправки на межэлектронное взаимодействие в первом порядке по 1/Z.

1.5 Вывод формул для однопетлевых КЭД поправок.

2 Численные расчеты для Li- и В-подобных ионов

2.1 Поправки на межэлектронное взаимодействие первого порядка по 1/Z.

2.2 Поправки на межэлектронное взаимодействие высших порядков по 1/Z.

2.3 Приближение эффективного потенциала

2.4 Собственно-энергетическая поправка.

2.5 Поправка на поляризацию вакуума

2.6 Полные теоретические значения сверхтонкой структуры многозарядных ионов

2.6.1 Литиеподобные ионы.

2.6.2 Бороподобные ионы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Квантовоэлектродинамические и корреляционные поправки к сверхтонкой структуре многозарядных ионов»

Актуальность работы

Многозарядными ионами принято называть системы с большим зарядом ядра и малым числом электронов. За последние два десятилетия были достигнуты значительные успехи в экспериментальном изучении сверхтонкого расщепления энергетических уровней таких ионов [1-5], в частности, получены высокоточные результаты для тяжелых водородоподобных ионов. С теоретической точки зрения, многозарядные ионы являются весьма удобной системой для изучения, т. к. малое количество электронов позволяет рассчитать такую систему с высокой точностью [6]. Это обусловлено тем, что для многозарядных ионов появляется дополнительный параметр малости 1/Z, ио которому можно строить теорию возмущений в области, где параметр aZ уже не является малым (здесь Z — заряд ядра, а & 1/137.036 — постоянная тонкой структуры). При этом кулоновское ноле ядра, в котором находятся электроны, является наиболее сильным полем, доступным в настоящее время для высокоточного экспериментального изучения. Таким образом, исследование сверхтонкой структуры тяжелых многозарядных ионов дает возможность проверки квантовой электродинамики (КЭД) в сильном электрическом поле. Кроме того, прецизионные расчеты сверхтонкого расщепления некоторых многозарядных ионов в интервале Z — 7 — 26 представляют особый интерес для астрофизических исследований [7,8].

Цель работы

1. Вычисление радиационных поправок к сверхтонкой структуре многозарядных литиеподобных и бороподобных ионов с учетом межэлектронного взаимодействия в приближении эффективного экранирующего локального потенциала.

2. Вычисление поправок на межэлектронное взаимодействие к сверхтонкой структуре многозарядных литиеподобных и бороподобных ионов.

3. Определение наиболее точных на данный момент теоретических значений сверхтонкой структуры основных состояний многозарядных литиеподобных и бороподобных ионов.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. КЭД поправки к сверхтонкой структуре литиеподобных и бороподобных ионов вычислены на эффективном локальном потенциале, который позволяет частично учесть эффект экранировки.

2. Произведен последовательный квантовоэлектродинамический расчет поправок на межэлектронное взаимодействие в первом порядке по 1 jZ к сверхтонкой структуре мпогозарядиых бороподобных ионов с учетом эффектов конечного распределения заряда и магнитного момента но ядру.

3. Поправка Бора-Вайскопфа для литиеподобных и бороподобных ионов вычислена на основе экспериментальных данных для сверхтонкой структуры соответствующих водородоподобных ионов. Это позволило существенно увеличить точность полных теоретических значений сверхтонкого расщепления основного состояния тяжелых бороподобных ионов.

Научная и практическая ценность работы

1. Проведенные расчеты однопетлевых КЭД поправок к сверхтонкой структуре в приближении эффективного экранирующего потенциала позволили существенно повысить точность соответствующих вкладов для литиеподобных и бороподобных ионов.

2. Комбинирование строгого КЭД расчета с методом конфигурационного взаимодействия в базисе орбиталей Дирака-Фока-Штурма позволило вычислить поправки на межэлектронное взаимодействие во всех порядках по 1 jZ с высокой точностью.

3. Получены наиболее точные теоретические значения для энергий сверхтонкого расщепления в многозарядных литиеподобных и бороподобных ионах, представляющих наибольший экспериментальный интерес.

Апробация

Работа неоднократно докладывалась на семинарах кафедры квантовой механики Санкт-Петербургского государственного университета. Ее результаты также были представлены на рабочем совещании по теории многозарядных ионов в Институте физики тяжелых ионов (GSI) в Дарм-штадте (Германия, июль 2007 г.) и на семинарах в Институте теоретической физики Технического университета Дрездена (Германия).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. E. Y. Korzinin, N. S. Oreshkina, and V. M. Shabaev, Hyperfine splitting of Low-Lying Levels in Heavy Li-Like Ions. — Physica Scripta, 2005, v. 71, p. 464-470.

2. H. С. Орешкина, А. В. Волотка, Д. А. Глазов, И. И. Тупицын, В. М. Ша-баев, G. Plunien, Сверхтонкая структура литиеподобного скандия. — Оптика и Спектроскопия, 2007, т. 102, с. 889-893.

3. Y. S. Kozhedub, D. A. Glazov, А. N. Artemyev, N. S. Oreshkina, V. М. Shabaev, I. I. Tupitsyn, A. V. Volotka, and G. Plunien, QED calculation of the 2??i/2-2s and 2p3/2-2s transition energies and the ground-state hyperfine splitting in lithiumlike scandium. — Physical Review A, 2007, v. 76, p. 012511-012514.

4. N. S. Oreshkina, D. A. Glazov, A. V. Volotka, V. M. Shabaev, 1.1. Tupitsyn, and G. Plunien, Radiative and interelectronic-interaction effects on the hyperfine splitting of highly charged B-like ions. — Physics Letters A, 2008, v. 372, p. 675-680.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 2 глав, заключения, 2 приложений и содержит 88 страниц, 7 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 96 наименований.

Заключение диссертации по теме «Теоретическая физика», Орешкина, Наталья Сергеевна

Заключение

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Вычислены однопетлевые квантовоэлектродинамичеекие поправки к сверхтонкой структуре многозарядных литиеподобных и бороподобных ионов с приближенным учетом межэлектронного взаимодействия посредством использования эффективного экранирующего потенциала.

2. Произведен последовательный квантовоэлектродинамический расчет поправок на межэлектронное взаимодействие в первом порядке по 1 jZ к сверхтонкой структуре многозарядных бороподобных ионов с учетом эффектов конечного распределения заряда и магнитного момента но ядру.

3. Получены наиболее точные на данный момент теоретические значения сверхтонкого расщепления основных состояний многозарядных литиеподобных и бороподобных ионов.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю Шабаеву Владимиру Моисеевичу за помощь в работе. Кроме того, хочется выразить признательность коллегам Дмитрию Глазову и Андрею Волотке за сотрудничество.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Орешкина, Наталья Сергеевна, 2008 год

1. 1. Klaft, S. Borneis, T. Engel, B. Fricke, R. Grieser, G. Huber, T. Kiihl, D. Marx, R. Neumann, S. Shroder, P. Seelig, and L. Volker, Phys. Rev. Lett. 73, 2425 (1994).

2. J. R. Crespo Lopez-Urrutia, P. Beiersdorfer, D. Savin, and K. Widman, Phys. Rev. Lett. 77, 826 (1996).

3. J. R. Crespo Lopez-Urrutia, P. Beiersdorfer, D. Savin, K. Widman, В. B. Birkett, A. M. Martensson-Pendrill, and M. G. H. Gustavsson, Phys. Rev. A 57, 879 (1998).

4. P. Beiersdorfer, S. B. Utter, K. L. Wong, J. R. Crespo Lopez-Urrutia, J. A. Britten, H. Chen, C. L. Harris, R. S. Thoe, D. B. Thorm, E. Trabert, M. G. H. Gustavsson. C. Forssen, and A.-M. Martensson-Pendrill, Phys. Rev. A 64, 032506 (2001).

5. V. M. Shabaev, Phys. Rep. 356, 119 (2002).

6. P. А. Сюняев и E. M. Чуразов, Письма в астроном, журнал 10, 483 (1984).

7. R. A. Sunyaev and D. Docenko, Astron. Lett. 33, 67 (2007).

8. И. И. Собельман, Введение в теорию атомных спектров, М., Физматгиз, 1963.

9. V. М. Shabaev, М. Tornaselli, Т. Kuhl, А. N. Artemyev, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. A 56, 252 (1997).

10. И. V. M. Shabaev, J. Phys. В 27, 5825 (1994).

11. L. N. Labzowsky, W. R. Johnson, G. Soff, and S. M. Schneider, Phys. Rev. A 51, 4597 (1995).

12. M. Tornaselli, S. M. Schneider, E. Kankeleit, and T. Kuhl, Phys. Rev. С 51, 2989 (1995).

13. M. G. H. Gustavsson, C. Forssen, and A.-M. M&rtensson-Pendril, Hyperfine Interact. 127, 347 (2000).

14. V. F. Dmitriev and R. A. Sen'kov, Phys. Rev. Lett. 91, 212303 (2003).

15. V. M. Shabaev, "Atomic Physics with Heavy Ions" (edited by H. Beyer and V. Shevelko) (Berlin, Springer,1999), p. 139.

16. A. N. Artemyev, V. M. Shabaev, G. Plunien, G. Soff, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. A 63, 062504 (2001).

17. S. A. Blundell, К. T. Cheng, and J. Sapirstain, Phys. Rev. A 55,1857 (1997).

18. P. Sunriergren, H. Persson, S. Salonionson, S. M. Schneider, I. Lindgren, and G. Soff, Phys. Rev. A 58, 1055 (1998).

19. V. M. Shabaev, A. N. Artemyev, V. A. Yerokhin, О. M. Zherebtsov, and G. Soff, Phys. Rev. Lett. 86, 3959 (2001).

20. V. M. Shabaev, А. N. Artemyev, О. М. Zherebtsov, V. A. Yerokhin,

21. G. Plunien, and G. Soff, Hyperfine Interact. 127, 279 (2000).

22. S. Boucard and P. Indelicato, Eur. Phys. J. D 8, 59, (2000).

23. О. M. Zherebtsov and V. M. Shabaev, Can. J. Phys. 78, 701 (2000).

24. J. Sapirstein and К. T. Cheng, Phys. Rev. A 63, 032506 (2001).

25. V. M. Shabaev, D. A. Glazov, N. S. Oreshkina, A. V. Volotka, G. Plunien,

26. H.-J. Kluge, and W. Quint, Phys. Rev. Lett., 96, 253002 (2006).

27. Л. H. Лабзовский, Теория атома. Квантовая электродинамика электронных оболочек и 'процессов излучения, Наука, Москва, 1996.

28. А. И. Ахиезер и В. Б. Берестецкий, Квантовая электродинамика, Наука, Москва, 1969.

29. Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц, Теоретическая физика, т. 4 Квантовая электродинамика, Наука, Москва, 1980.

30. Г. Бете, Квантовая механика, Мир, Москва, 1965.

31. И. С. Градштейн и И. М. Рыжик, Таблицы интегралов, рядов, сумм и произведений, Наука, Москва, 1971.

32. J. Epstein and S. Epstein, Am. J. Phys. 30, 266 (1962).

33. V. M. Shabaev, J. Phys. B. 24, 4479 (1991).

34. P. Pyykko, E. Pajanne, and M. Inokuti, Int. J. Quantum Chein. 7, 785 (1973).

35. S. A. Zapryagaev, Opt. Spectrosc. 47, 9 (1979).

36. Y. M. Shabaev, Opt. Spectrosc. 56, 244 (1984).

37. F. A. Parpia and A. K. Mohanty, Phys. Rev A 46, 3735 (1992).

38. У. M. Shabaev, I. I. Tupitsyn, V. A. Yerokhin, G. Plunien, and G. Soff, Phys. Rev. Lett. 93, 130405 (2004).

39. W. R. Johnson and J. Sapirstein, Phys. Rev. Lett. 57, 1126 (1986).

40. W. R. Johnson, S. A. Blundell, and J. Sapirstein, Phys. Rev. A. 37, 307 (1988).

41. I. Angeli, At. Data Nucl. Data Tables 87, 185 (2004).

42. Г. Коиферман, Ядерные моменты, Издательство иностранной литературы, Москва, 1960.

43. A. A. Elizarov, V. М. Shabaev, N. S. Oreshkina, and I. I. Tupitsyn, NIMB 235, 65 (2005).

44. N. J. Stone, At. Data Nucl. Data Tables 90, 75 (2005).

45. M. G. H. Gustavsson and A.-M. Martensson-Pendril, Phys. Rev. A 58. 3611 (1998)

46. O. Lutz and G. Strieker, Phys. Lett. A 35, 397 (1971).

47. V. M. Shabaev, M. B. Shabaeva, I. I. Tupitsyn, and V. A. Yerokhin, Hyperfine Interact. 114, 129 (1998).

48. V. M. Shabaev, М. В. Shabaeva, I. I. Tupitsyn, V. A. Yerokhin, A. N. Artemyev, T. Kiihl, M. Tomaselli, and О. M. Zherebtsov, Phys.Rev. A 57, 149 (1998).

49. В. M. Шабаев, в кн.: Многочастичные эффекты в атомах. М.: АН СССР, 1988, с. 15-23.

50. В. М. Шабаев, в кн.: Многочастичные эффекты в атомах. М.: АН СССР, 1988, с. 24-33.

51. В. М. Шабаев, Изв. вуз. Физика, 1990, т. 33, N 8, с. 43-54.

52. В. М. Шабаев, Теор. и мат. физика, 1990, т. 82, N 1, с. 83-89.

53. V. М. Shabaev, J. Phys. А 24, 5665 (1991).

54. М, Gell-Mann and F. Low, Phys. Rev. 84, 350 (1951).

55. J. Sucher, Phys. Rev. 107, 1448 (1957).

56. С. А. Занрягаев, H. Jl. Манаков, В. Г. Пальчиков, Теория многозарядных ионов с одним и двумя электронами, Энергоатомиздат, Москва, 1985.

57. W. Н. Furry, Phys. Rev. 81, 115 (1951).

58. М. В. Shabaeva and V. М. Shabaev, Phys. Rev. A 52, 2811 (1995).

59. M. B. Shabaeva, Opt. Spectrosc. 86, 368 (1999).

60. Б. Y. Korzinin, N. S. Oreshkina, and V. M. Shabaev, Phys. Scr. 71, 464 2005.

61. К. V. Koshelev, L. N. Labzowsky, G. Plunien, G. Soff, and P. Pyykko, Phys. Rev. A 68, 052504 (2003).

62. V. M. Shabaev. М. В. Sha.ba.eva, and 1.1. Tupitsin, Asron. Astrophys. Trans. 12, 243 (1997).

63. V. A. Yerokhin, and V. M. Shabaev, Phys. Rev. A 64, 012506 (2001).

64. J. Sapirstein and К. T. Cheng, Phys. Rev. A 74, 042513 (2006).

65. H. С. Орешкина, А. В. Волотка, Д. А. Глазов, И. И. Тупицын, В. М. Ша-баев и G. Plunien, Оптика и Спектроскопия 102, 889 (2007).

66. N. S. Oreshkina, D. A. Glazov, А. V. Volotka, V. М. Shabaev, 1.1. Tupitsyn, and G. Plunien, Phys. Lett. A 372, 675 (2008).

67. I. I. Tupitsyn, V. M. Shabaev, J. R. Crespo Lopez-Urrutia, I. Draganic, R. Soria Orts, and J. Ullrich, Phys. Rev. A 68, 022511 (2003).

68. D. A. Glazov, V. M. Shabaev, I. I. Tupitsyn, A. V. Volotka, V. A. Yerokhin, G. Plunien, and G. Soff, Phys. Rev. A 70, 062104 (2004).

69. I. I. Tupitsyn, A. V. Volotka, D. A. Glazov, V. M. Shabaev, G. Plunien, J. R. Crespo Lopez-Urrutia, A. Lapierre, and J. Ullrich, Phys. Rev. A 72, 062503 (2005).

70. I. P. Grant, Adv. Phys. 19, 747 (1970).

71. В. Ф. Братцев, Г. Б. Дейнека. и И. И. Тупицын, Изв. Акад. наук СССР 41, 2655 (1977).

72. П. Ф. Груздев, Г. С. Соловьева и А. И. Шерстюк, Опт. спектр. 42, 1198 (1977).

73. R. Latter, Phys. Rev. 99, 510 (1955)

74. А. М. Desiderio and W. R. Johnson, Phys. Rev. A 3, 1267 (1971).

75. G. E. Brawn, J. S. Langer, and G. W. Schaefer, Proc. R. Soc. A, 251, 92 (1959).

76. P. J. Mohr, Ann. Phys. 88, 26 (1974); 88, 52 (1974).

77. P. J. Mohr, Phys. Rev. A 26, 2338 (1982).

78. P. Indelicato and P. J. Mohr, Phys. Rev. A 46, 172 (1992).

79. P. J. Mohr, G. Plunien, and G. Soff, Phys. Rep. 293, 227 (1998).

80. N. J. Snyderman, Ann. Phys. (N.Y.) 211, 43 (1991).

81. S. A. Blundell and N. J. Snyderman, Phys. Rev. A 44, R1427 (1991).

82. К. T. Cheng, W. R. Johnson, and J. Sapirstein, Phys. Rev. A 47, 1817 (1993)

83. P. Sunnergren, H. Persson, S. Salomonson, S. M. Schneider, I. Lindgren, and G. Soft', Phys. Rev. A 58, 1055 (1998).

84. V. A. Yerokhin and V. M. Shabaev, Phys. Rev. A, 60, 800 (1999).

85. S. A. Blundell, Phys. Rev. A 46, 3762 (1992).

86. E. A. Uehling, Phys. Rev. 48, 55 (1935); R. Serber, ibid. 48, 49 (1935).

87. E. H. Wichmarm and N. M. Kroll, Phys. Rev. 101, 843 (1956).

88. G. Soff and P. J. Mohr, Phys. Rev. A 38, 5066 (1988).

89. N. L. Manakov, A. A. Nekipelov, A. G. Fainstein, JETP 95, 1167 (1989).

90. A. G. Fainshtein, N. L. Manakov, and A. A. Nekipelov, J. Phys. В 23, 559 (1990).

91. S. M. Schneider, W. Greiner, and G. Soff, Phys. Rev. A 50, 118 (1994).

92. А. N. Artemyev, V. М. Shabaev, G. Plunien, G. Soff, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. A 63, 062504 (2001).

93. V. A. Yerokhin, A. N. Artemyev, V. M. Shabaev, and G. Plunien, Phys. Rev. A 72, 052510 (2005).

94. M. Lestinsky, E. W. Schmidt, D. A. Orlov, S. Schippers, E. Lindroth, A. Miiller, and A. Wolf, 38th EGAS, Book of Abstracts, 61 (2006).

95. P. Beiersdorfer, A. Ostenheld, J. Scofield, J. Crespo Lopez-Urrutia, and K. Widinann, Phys. Rev. Lett. 80, 3022 (1998).

96. D. F. A. Winters, M. Vogel, D. M. Segal, R. C. Thompson, and W. Nortershauser, Can. J. Phys. 85, 403 (2007).