Нерезонансные и двухфотонные эффекты в теории спектральной линии для атома водорода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.02, кандидат физико-математических наук Соловьев, Дмитрий Анатольевич

• Соловьев, Дмитрий Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Соловьев, Дмитрий Анатольевич

Введение.стр.

Система единиц и обозначения.стр.

1. Резонансное рассеяние фотона на атоме водорода.стр.

1.1 Резонансное приближение: амплитуда.стр.

1.2 Резонансное приближение: дифференциальное сечение.стр.

2. Кулоновская функция Грина.стр.

2.1 Спектральное разложение.стр.

2.2 Представление радиальной кулоновской функции Грина.стр.

3. Асимметрия контура спектральной линии.стр.

3.1 Нерезонансные поправки: интерференция нерезонансных и резонансных членов.стр.

3.2 Нерезонансные поправки: учет тонкой структуры .стр.

3.3 Зависимость вероятностей от частоты.стр.

3.4 Двух-фотонный переход 1 Si/2 — 2si/2.стр.

4. Асимметрия контура линии во внешнем электрическом поле.стр.

4.1 Нерезонансная поправка к 2р — Is одно-фотонному резонансу в атомах водорода и анти-водорода стр.

4.2 2s — Is двух-фотонный резонанс в атомах водорода и анти-водорода.стр.

5. Сдвиг распределения интенсивности.стр.

5.1 Однократное рассеяние на атоме водорода.стр.

5.2 Многократное рассеяние на атоме водорода.стр.

6. Двух-фотонные распады в атоме водорода: нерелятивистский предел.стр.

6.1 Формы и калибровки.стр.

6.2 Е1М1 переход.стр.

6.3 Е1Е1 и Е1Е2 переходы.стр.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нерезонансные и двухфотонные эффекты в теории спектральной линии для атома водорода»

Актуальность работы.

Актуальность диссертационной работы связана с получением оценок для нерезонансных (HP) поправок к частоте перехода в резонансных оптических экспериментах на атомах. Нерезонансные поправки к частоте перехода, устанавливающие пределы точности для всех атомных стандартов частоты, после основополагающей статьи Jloy, вышедшей в 1951 году, никем не обсуждались. Вновь этот вопрос был поднят в наших работах 2001 и 2002 г.г. . В частности, были получены точные результаты для HP поправок: в случае рассеяния фотона на атоме водорода для процесса Is —> 2р —> Is и оценки для процесса двухквантового возбуждения Is —> 2s. Было показано, что с учетом HP поправок максимумы контура спектральной линии для атомов водорода и антиводорода во внешнем электрическом поле не совпадают. Это представляет интерес в связи с современными экспериментами по получению атомов антиводорода. Так же было показано, что средняя энергия излученных фотонов в процессе резонансного рассеяния на атоме водорода не совпадает со средней энергией падающих фотонов, определяемых функцией распределения источника. Был исследован также процесс многократного переизлучения фотона атомом водорода. Кроме того в диссертации представлены результаты нерелятивистского расчета двух-фотонных распадов в атоме водорода для состояния 2р. Расчет производился для двух разных форм ("длины" и "скорости") вероятности в различных калибровках.

Цель работы.

1. Расчет нерезонансных поправок на основе КЭД теории контура спектральной линии в атоме водорода.

2. Сравнение спектров атомов водорода и антиводорода во внешнем электрическом поле.

3. Исследование возможных сдвигов интенсивности распределения спектральной линии, возникающих за счет HP поправок.

4. Нерелятивистский расчет двух-фотонных 2р —> Is переходов в атоме водорода, сравнение результатов с полностью релятивистским подходом.

Научная новизна работы.

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Рассчитаны HP поправки в атоме водорода методом контура спектральной линии для Лайман-ск перехода. Представлены оценки нерезонансной поправки для наиболее точного на данный момент эксперимента по измерению частоты перехода при двухквантовом возбуждении 2s-coctohhhji.

2. Показано, что распределения интенсивностей в спектральных линиях атомов водорода и антиводорода оказываются сдвинутыми относительно друг друга во внешнем электрическом поле; приведены оценки соотвтетствующего сдвига.

3. Получены значения сдвига распределения интенсивности для процессов одно- и многократного рассеяния фотона на атоме водорода. Исследованы причины возникновения искажения в распределении интенсивности.

4. Проведен полностью аналитический расчет процессов двух-фотонных переходов в атоме водорода в нерелятивистском пределе. Получено хорошее согласие нерелятивистских значений для вероятностей переходов с соответствующими релятивистскими численными результатами.

Научная и практическая цель работы.

1. Приведены вычисления нерезонансных поправок к частотам резонансных переходов, устанавливающие абсолютный предел точности измерений в спектроскопических экспериментах.

2. Получена оценка сдвига распределения интенсивностей в спектральных линиях в атомах водорода и антиводорода во внешнем электрическом поле. Эти оценки могут быть полезны для наблюдения экспериментов по проверке СРТ-инвариантности путем сравнения спектров водорода и антиводорода.

3. Рассмотренный в диссертации сдвиг распределения интенсивности в сректре фотонов, излученных атомом, по сравнению со спектром падающих на атом фотонов, является новым эффектом, который может быть наблюдаем в эксперименте.

4. Значения вероятностей двух-фотонных переходов, могут быть использованы как для расчета нерезонансных поправок, возникающих в процессах с двух-фотонными распадами, так и в экспериментах по исследованию эффектов несохранения четности.

Апробация работы.

Работа докладывалась на семинарах кафедры квантовой механики НИИФ СПбГУ, на семинаре ПИЯФ РАН и на "Первой летней научной школе Фонда "Династия".

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Asymmetry of the natural line profile for the hydrogen atom, Labzowsky, D. A. Solovyev, G. Plunien, G. Soff Phys. Rev. Lett. 87, 143003, (2001)

2 Nonresonant corrections to the ls-2s two-photon resonance for the hydrogen atom, L. Labzowsky, D. Solovyev, G. Plunien and G. Soff Phys. Rev. A65, 054502 (2002)

3 Nonresonant corrections for the hydrogen atom, L. Labzowsky, D. Solovyev, G. Plunien and G.Soff Can. J. Phys. 80, 1187 (2002)

4 Intensity distribution shift for the resonant photon scattering on the hydrogen atom, L. Labzowsky and D. Solovyev, Phys. Rev. A66, 024503 (2002)

5 Resonant spectroscopy of the antihydrogen atom, L. Lab-zowsky and D. Solovyev Phys. Rev. A68, 014501 (2003)

6 Coulomb Green function and its applications in atomic theory, L. N. Labzowsky and D. A. Solovyev In: Precise Physics of Simple Atomic Systems Ed. S. G. Karshenboim and V. B. Smirnov, p. 15 Springer, (2003)

7 One- and two-photon resonant spectroscopy of hydrogen and anti-hydrogen atoms in external electric fields, L. Labzowsky, D. Solovyev, V. Sharipov, G. Plunien and G. Soff J. Phys. B36, L227 (2003)

8 Spectroscopy of the hydrogen and anti-hydrogen atoms in external fields, L. Labzowsky, V. Sharipov, D. Solovyev, G. Plunien and G. Soff Int. J. Mod. Phys. B, 18, N30 (2004)

9 Multiple resonant photon scattering on the hydrogen atom and the shift of the photon intensity distribution, L. N. Labzowsky and D. A. Solovyev J. Phys B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 37 (2004)

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, 3 таблиц, 10 рисунков и содержит 121 страницу. Список литературы включает 69 наименований.

Заключение диссертации по теме «Теоретическая физика», Соловьев, Дмитрий Анатольевич

Заключение.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Рассчитаны HP поправки в атоме водорода для Лайман-а перехода. Представлены оценки нерезонансной поправки для наиболее точного на данный момент эксперимента по резонансному измерению частоты перехода Is—2s в двух-фотонном поглощении.

2. Показано, что максимумы распределения интенсивностей в спектрах атомов водорода и антиводорода оказываются сдвинутыми относительно друг друга во внешнем электрическом поле; приведены оценки соотвтетствующего сдвига.

3. Получены значения сдвига распределения интенсивности для процессов одно- и многократного перерассеяния фотона на атоме водорода. Исследованы причины возникновения искажения в распределении интенсивности.

4. Проведен аналитический расчет процессов двух-фотонных переходов в атоме водорода в нерелятивистском пределе. Получено хорошее согласие нерелятивистских значений для вероятностей переходов с соответствующими релятивистскими результатами.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физ.-мат. наук, профессору Лабзовскому Леонтию Нахимовичу за постоянное внимание и помощь в работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Соловьев, Дмитрий Анатольевич, 2005 год

1. V. Weisskopf and E. Wigner, Z. Phys. 63, 54 (1930)

2. F. Low, Phys. Rev. 88, 53 (1952)

3. JI. H. Лабзовский, ЖЭТФ 85, 869 (1983)

4. L. Labzowsky, G. Klimchitskaya and Yu. Dmitriev "Rela-tivistic effects in the spectra of atomic systems" IOP, 1993

5. V. V. Karasiev, L. N. Labzowsky, A. V. Nefiodov, V. G. Gor-shkov and A. A. Sultanaev, Phys. Scr. 46, 225 (1992)

6. L. Labzowsky, V. Karasiev, I. Lindgren, H. Persson and S. Salomonson Phys. Scr. T46, 150 (1993)

7. L. N. Labzowsky, I. A. Goidenko and D. Liesen, Phys. Scr. 56, 271 (1997)

8. L. N. Labzowsky, D. A. Solovyev, G. Plunien and G. Soff, Phys. Rev. Lett. 87, 143003 (2001)

9. K. Pachucki, Phys. Rev. Lett. 72, 3154 (1994)

10. M. I. Eides and V. A. Shelyuto, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 61, 465 (1995) (JETP Lett. 61, 478 (1995))

11. M. I. Eides and V. A. Shelyuto, Phys. Rev. A 52, 954 (1995)

12. M. I. Eides, H. Grotch and V. A. Shelyuto, Phys. Rep. 342, 63 (2001)

13. С. Г. Каршенбойм, ЖЭТФ 103, 1105 (1993)

14. V. A. Yerokhin, Phys. Rev. A62, 012508 (2000)

15. E. V. Hagley and F. M. Pipkin, Phys. Rev. Lett. 72, 1172 (1994)

16. K. Pachucki, D. Leibfried, M. Weitz, A. Huber, W. Konig and T. W. Hansch, J. Phys. B29, 177 (1996)

17. M. Niering, R. Holzwarth, J. Reichert, P. Pokasov, Th. Udem, M. Weitz, T. W. Hansch, P. Lemond, G. Semtarelli, M. Abgrall, P. Lourent, C. Salomon and A. Clairon, Phys. Rev. Lett. 84, 5496 (2000)

18. A. Huber, В. Gross, М. Weitz and Т. W. Hansch, Phys. Rev. A: At. Mol. Opt. Phys. 59, 1844 (1999)

19. M. Amoretti et al, Nature 419, 456 (2002)

20. G. Gabrielse et al, Phys. Rev. Lett. 89, 213401 (2002)

21. G. Gabrielse et al, Phys. Rev. Lett. 89, 233401 (2002)

22. R. Bluhm, V. Alan Kostelecky and N. Reissell, Phys. Rev. Lett. 82, 2254 (1999)

23. L. N. Labzowsky, D. A. Solovyev, G. Plunien and G. Soff, Can. J. Phys. В 80, 1187 (2002)

24. U. D. Jentschura and P. J. Mohr, Can. J. Phys. 80, 633 (2002)

25. L. N. Labzowsky, D. A. Solovyev, G. Plunien and G. Soff, Phys. Rev. A65, 054502 (2002)

26. P. J. Mohr, Phys. Rev. Lett. 40, 854 (1978)

27. M. Hillery and P. J. Mohr, Phys. Rev. A 21 24 (1980)

28. Я. И. Азимов, А. А. Ансельм, A. H. Москалев и P. M. Рындин, ЖЭТФ 67, 17 (1975)

29. L. Labzowsky, D. Solovyev, V. Sharipov, G. Plunien and G. Soff, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 36, 227 (2003)

30. L. Labzowsky, V. Sharipov, D. Solovyev, G. Plunien and G. Soff, Int. Journ. Mod. Phys. В 18, 3875 (2004)

31. L. Labzowsky and D. Solovyev, Phys. Rev. A 66, 024503 (2002)

32. L. N. Labzowsky and D. A. Solovyev, J. Phys B: At. Mol. Opt. Phys. 37, 3271 (2004)

33. L. N. Labzowsky, A. V. Shonin and D. A. Solovyev, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38, 265 (2005)

34. M. Goppert-Mayer, Ann. Phys. (Leipzig), 9, 273 (1931)

35. G. Breit and E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940)

36. S. Klarsfeld, Phys. Lett. 30A, 382 (1969)

37. S. P. Goldman and G. W. F. Drake, Phys. Rev. A26, 2877 (1982)

38. F. A. Parpia and W. R. Johnson, Phys. Rev. A26, 1142 (1982)

39. Z. Fried and A. D. Martin, Nuovo Cimento 29, 574 (1963)

40. R. Bacher, Z. Phys. A315, 135 (1984)

41. С. Г. Каршенбойм и В. Г. Иванов, Опт. Спектр. 83, 1 (1997)

42. J. Н. Tung, X. М. Ye, G. J. Salamo and F. Т. Chen Phys. Rev. A30, 1175 (1984)

43. L. Hostler, J. Math. Phys. 5, 591 (1964)

44. Б. А. Зон и Л. П. Рапопорт, ЖЭТФ 7, 70 (1968)

45. Б. А. Зон, Н. Л. Манаков и Л. П. Рапопорт, ЖЭТФ 56, 400 (1969)

46. R. W. Schmieder, Phys. Rev. А7, 1458 (1973)

47. G. W. F. Drake, Nucl. Instr. Meth. B66, 465 (1985)

48. С. Г. Каршенбойм, ЖЭТФ 107, 1061 (1995)

49. В. Г. Иванов и С. Г. Каршенбойм, ЖЭТФ 109, 1219 (1996)

50. Е. Г. Друкарев, А. Н. Москалев, ЖЭТФ 73, 2060 (1977)

51. В. Г. Горшков, А. И. Михайлов, А. Н. Москалев, В. И. Фомичев, ЖЭТФ 81, 115 (1981)

52. А. А. Никитин, 3. Б. Рудзикас "Основы теории спектров атомов и ионов", Москва, Наука, 1983

53. И. С. Кычкин, Ю. М. Каняускас, 3. Б. Рудзикас Литовский физический сборник, 1974, т. 14, стр. 727

54. Ю. М. Каняускас, Г. В. Меркелис, 3. Б. Рудзикас Литовский физический сборник, 1979, т. 19, стр. 795

55. Е. A. Uehling, Phys. Rev. 48, 55 (1935)

56. М. Goppert-Mayer, Ann. Phys. (Leipzig)9, 273 (1931)

57. Л. П. Рапопорт, Б. А. Зон и H. Л. Манаков, "Теория многофотонный процессов в атомах", Москва, Атомиздат, 1978

58. В. Г. Горшков, ЖЭТФ 47, 352 (1964); ЖЭТФ 47, 1984 (1964)

59. К. S. Е. Eikema, J. Waltz and Т. W. Hansch, Phys. Rev. Lett. 86, 5679 (2001)

60. L. Hostler, J. Math. Phys. 5, 591(1964)

61. В. А, Фок, "Начала квантовой механики", Москва, "Наука", 1976

62. Г. Бейтмен, А. Эрдэйи "Высшие трансцендентные функции", Т. 1, 2, пер. с англ. М., "Наука", 1973

63. Б. А. Зон, Н. JI. Манаков и JI. П. Рапопорт "Ядерная физика", 1972, т. 15, с. 508

64. Н. F. Hameka, J. Chem Phys., 47, 2728, (1967)

65. L. Hostler, Phys. Rev., 178, 126, 1969

66. H. JI. Манаков и JI. П. Рапопорт, Оптика и спектроскопия, т. 33, с. 988, 1972

67. Г. Бете и Э. Солпитер, "Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами", ГИФМЛ, Москва, 1960

68. А. И. Ахиезер, В. Б. Берестецкий, "Квантовая электродинамика", Москва, "Наука", 1969

69. L. N. Labzowsky and А. V. Shonin, Phys. Lett A 333, 289 (2004)