Расчет сверхтонкой структуры уровней многозарядных ионов 209/83Bi с электронами в состоянии 2p3/2 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.02, кандидат физико-математических наук Кошелев, Кирилл Валерьевич

• Кошелев, Кирилл Валерьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кошелев, Кирилл Валерьевич

Введение

1 КЭД теория многозарядных ионов

1.1 Современный статус физики МЗИ.

1.2 Система единиц и обозначения.

1.3 Применение методов КЭД к исследованию МЗИ

1.3.1 Электрон-позитронное поле

1.3.2 Электромагнитное поле.

1.3.3 Взаимодействующие поля.

1.3.4 Теорема Вика и правила Фейнмана.

1.4 Классификация и отбор диаграмм.

2 Модель динамического протона

2.1 Описание модели.

2.2 Потенциал СТС в рамках МДП.

3 Межэлектронное взаимодействие

3.1 Методы учета эффектов межэлектроиного взаимодействия.

3.2 Вывод выражений для поправок на межэлектронное взаимодействие

4 Собственная энергия электрона

4.1 Вывод выражений для поправок на собственную энергию электрона

4.2 Группировка диаграмм.

4.3 Расчет в координатном представлении.

4.4 Расчет в импульсном представлении

4.4.1 Поправки в волновую функцию.

4.4.2 Вершина и приводимая часть.

5 Результаты численных расчетов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчет сверхтонкой структуры уровней многозарядных ионов 209/83Bi с электронами в состоянии 2p3/2»

Актуальность работы

Многозарядные ионы (МЗИ) или тяжелые ионы-это ионы в которых совокупный заряд электронов много меньше заряда ядра в поле которого они движутся. Хорошим примером МЗИ служит литие-подобный висмут. Интерес к многозарядиым ионам со стороны физиков, как теоретиков так и экспериментаторов, обусловлен следующими основными причинами. В МЗИ электроны движутся в очень сильном электрическом поле ядра и поэтому являются сильно релятивистскими. Для описания свойств таких ионов оказывается недостаточно уравнения Дирака, а уже требуются методы квантовой электродинамики (КЭД). Таким образом исследование МЗИ даст возможность проверки КЭД теории в сильных полях, недостижимых в настоящее время в лабораторных условиях. С другой стороны МЗИ это относительно простые системы, так как образованы небольшим числом частиц. Влияние структуры ядра в таких системах значительно и растет с ростом заряда ядра степенным образом. Таким образом, исследование этих систем дает дополнительную возможность уточнения наших знаний о структуре атомного ядра и в частности, получения значений физических величин, связанных с ядром, таких как магнитные и электрические моменты ядер. Настоящая диссертация посвящена расчету сверхтонкой структуры (СТС) уровней энергии в 2^Bi80+ (Li-подобном), ^fBi78"1" (В-подобиом), 2^Bi76+ (N-подобном) ионах висмута. Цель работы

1. Развитие методов расчета и вывод выражений для поправок на собственную энергию электрона к СТС уровней многозарядных ионов ^Bi с несколькими электронами и одним валентным электроном в состоянии 2рз. Выделение вкладов в СТС от магнитного дипольного, электрического квадруполыюго и магнитного октупольного моментов ядра TsBi.

2. Развитие методов расчета и вывод выражений для поправок на межэлектронное взаимодействие к СТС уровней многозарядных ионов ^Bi с несколькими электронами и одним валентным электроном в состоянии 2рз. Выделение вкладов в СТС от магнитного дипольного, электрического квадрупольного и магнитного октупольного моментов ядра

3. Численный расчет поправок к СТС на собственную энергию электрона и межэлектронное взаимодействие для Li-подобного, В-подобного и N-подобного ионов ^Bi. Выделение вкладов в СТС от магнитного дипольного, электрического квадрупольного и магнитного октупольного моментов ядра ^Bi. Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Впервые рассчитана СТС возбужденных конфигураций Li-, В-подобных ионов висмута, а также основной конфигурации N-подобного иона висмута, содержащих один электрон в состоянии 2рз. 2

2. Впервые рассчитана поправка на собственную энергию электрона в состоянии 2рз для МЗИ.

3. Впервые произведен расчет межэлектронного взаимодействия в ионах висмута, содержащих электроны в 2рз состоянии.

4. Впервые учтен вклад квадрупольного электрического и октупольного магнитного моментов ядра атома висмута в СТС висмута.

Научная и практическая ценность работы

Полученные результаты позволяют извлечь значение квадрупольного электрического момента ядра атома висмута из экспериментальных данных в том случае, если эксперименты с указанными ионами будут проведены. Апробация работы

Работа докладывалась на семинарах кафедры квантовой механики НИИФ СПбГУ и на семинаре ПИЯФ РАН.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. К.В. Кошелев, J1.H. Лабзовский Сверхтонкая структура уровней энергии 2рз-состояния Li-, В- и N-подобных ионов 2g|Bi. // Оптика и спектроскопия - 2003. - т.95. -стр.709

2. K.V. Koshelcv, L.N. Labzowsky, G. Plunien, G. Soff and P. Pyykko Hyperfine structure of the 2рз state of Li-like, В-like and N-like 2^Bi ions // Physical Review A - 2003. - vol.68. р.052504-1-052504-7.

3. К. Koshelev, L. Labzowsky and I. Tupitsyn The interelectron interaction corrections to the hyperfine structure of the 2рз state in Li-like, D-like and N-like 2gjDi ions // J. Phys. В -2004.- vol.37. - p.843-851. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, четырех приложений и содержит 92 страницы, 10 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 90 наименований. Краткое содержание работы

Заключение диссертации по теме «Теоретическая физика», Кошелев, Кирилл Валерьевич

Заключение

Основные положения, выносимые на защиту

1. Впервые рассчитана СТС возбужденных конфигураций Li-, В-подобных ионов висмута, а также основная конфигурация N-подобного иона висмута с валентным протоном в состоянии 2рз. з

2. Впервые учтен вклад квадрупольного электрического и октупольного магнитного моментов в СТС висмута.

3. Впервые рассчитана поправка на собственную энергию к СТС в 2рз состоянии.

4. Результаты дают возможность нового определения электрического квадрупольного момента ядра висмута, при условии что СТС ионов висмута будет измерена экспериментально.

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кошелев, Кирилл Валерьевич, 2004 год

1. Е. Lamb and R. С. Retherford, Phys. Rev. 72, 241 (1947).

2. H. A. Bcthe, Phys. Rev. 72, 339 (1947).

3. J. Schwinger, Phys. Rev. 73, 416 (1948).

4. P. Kusch and H. M. Foley, Phys. Rev. 74, 250 (1948).

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

6. L. Labzowsky and I. Goidenko, Theoretical Chemistry and Physics of Heavy and Superheavy atoms (U. Kaldor and S. Wilson, Kluwer, 2003).

7. B. Edl6n, Phys. Scr. 28, 51 (1983).

8. J. Sugar and C. Corliss, J. Phys. Chein. Ref. Data Suppl. 14, 2 (1985).

9. H. Hinnov and B. Denne, Phys. Rev. A 40, 4357 (1989).

10. J. Sugar, V. Kaufman, and W. L. Rowan, J. Opt. Soc. Am. В 9, 344 (1992); 10, 13 (1993).

11. U. Staude, P. Bosselrnann, R. Biittncr, D. Horn, К. H. Schartner, F. Folkmann, A. E. Livingston, T. Ludziejcwski, and P. H. Mokler, Phys. Rev. A 58, 3516 (1998).

12. R. J. Knize, Phys. Rev. A 43, 1637 (1991).

13. P. Bosselrnann, U. Staude, D. Horn, К. H. Schartner, F. Folkmann, A. E. Livingston, and P. H. Mokler, Phys. Rev. A 59, 1874 (1999).

14. D. Feili, P. Bosselrnann, К. H. Schartner, F. Folkmann, A. E. Livingston, E. Trabert, X. Ma, and P. H. Mokler, Phys. Rev. A 62, 022501 (2000).

15. T. Stohlker, P. H. Mokler, F. Bosch, R. W. Dunford, F. Franzke, O. Klepper,

16. C. Kozhuharov, T. Ludziejewski, F. Nolden, H. Reich, et ai, Phys. Rev. Lett. 85, 3109 (2000).

17. H. F. Beyer, D. Liesen, F. Bosch, K. D. Finlayson, M. Jung, O. Klepper, R. Moshammer, K. Beckert, H. Eickhoff, B. Franzke, et ai, Phys. Lett. A 184, 435 (1994).

18. P. H. Mockler, T. Stohlker, C. Kozhuharov, R. Moshammer, P. Rymuza, Z. Stachura, and A. Warczak, J. Phys. В 28, 617 (1995).

19. T. Stohlker, P. H. Mokler, H. Geissel, R. Moshammer, P. Rymuza, E. M. Bernstein, C. L. Cocke, C. Kozhuharov, G. Miinzenberger, F. Nickel, et al., Phys. Lett. A 168, 285 (1992).

20. R. Marrus, V. San Vicent, P. Charles, J. P. Briand, F. Bosch, D. Liesen, and I. Varga, Phys. Lett. 56, 1683 (1986).

21. R. W. Dunford, M. Hass, E. Bakke, H. G. Berry, C. J. Liu, M. L. Raphaelian, and L. J. Curtis, Phys. Rev. Lett. 62, 2809 (1989).

22. A. Simionovici, В. B. Birkett, J. P. Briand, P. Charles, D. D. Dietrich, K. Finlayson, P. Indelicato, D. Liesen, and R. Marrus, Phys. Rev. A 48, 1695 (1993).

23. G. Hubricht and E. Trabert, Z. Phys. D 7, 243 (1987).

24. R. Marrus, P. Charles, P. Indelicato, L. de Billy, C. Tazi, J. P. Briand, A. Simionovici,

25. D. Dietrich, F. Bosch, and D. Liesen, Phys. Rev. A 39, 3725 (1989).

26. R. W. Dunford, D. A. Church, C. J. Liu, H. G. Berry, M. L. Raphaelian, M. Hass, and L. J. Curtis, Phys. Rev. A 41, 4109 (1990).

27. R. Marrus, A. Simionovici, P. Indelicato, D. D. Dietrich, P. Charles, J. P. Briand, K. Finlayson, F. Bosch, D. Liesen, and F. Parente, Phys. Rev. Lett. 63, 502 (1989).

28. R. W. Dunford, C. J. Liu, J. Last, N. Berrah-Mansour, R. Vondrasek, D. A. Church, and L. J. Curtis, Phys. Rev. A 44, 764 (1991).

29. H. Gould and R. Marrus, Phys. Rev. A 28, 2001 (1983).

30. I. Khriplovich, Parity Nonconservation in Atomic Phenomena (Gordon and Breach, New York, 1991).

31. S. C. Bennett and С. E. Wieman, Phys. Rev. Lett. 82, 2484 (1999).

32. S. C. Bennett and С. E. Wieman, Phys. Rev. Lett. 82, 4153 (1999).

33. S. C. Bennett and С. E. Wieman, Phys. Rev. Lett. 83, 889 (1999).

34. W. R. Johnson, I. Bednyakov, and G. Soff, Phys. Rev. Lett. 87, 233001 (2001).37| V. A. Dzuba, C. Harabati, W. R. Johnson, and M. S. Safronova, Phys. Rev. A 63, 044103 (2001).

35. A. Derevianko, Phys. Rev. A 65, 012106 (2001).

36. M. G. Kozlov, S. G. Porsev, and I. I. Tupitsin, Phys. Rev. Lett. 86, 3260 (2001).

37. A. I. Milstein and O. P. Sushkov, Phys. Rev. A 66, 022108 (2002).

38. M. Yu. Kuchiev and V. V. Flambaumm, Phys. Rev. Lett. 89, 283002 (2002).

39. R. S. Van Dyck, Jr., P. B. Schwiriberg, and H. G. Dehmelt, Phys. Rev. Lett. 59, 26 (1987).

40. N. Hermanspahn, H. Haffner, H. J. Kluge, W. Quint, S. Stahl, J. VerdU, and G. Werth, Phys. Rev. Lett. 84, 427 (2000).

41. H. Haffner, T. Beier, N. Hermanspahn, H. J. Kluge, W. Quint, S. Stahl, J. Verdu, and G. Werth, Phys. Rev. Lett. 85, 5308 (2000).

42. T. Beier, H. Haffner, N. Hermanspahn, S. G. Karshenboim, H. J. Kluge, W. Quint, S. Stahl, J. Verdu, and G. Werth, Phys. Rev. Lett. 88, 011603 (2002).

43. H. A. Schluessler, Е. N. Forton, and Н. G. Dehmclt, Phys. Rev. 187, 5 (1969).

44. M. H. Prior and E. C. Wang, Phys. Rev. A 16, 6 (1977).

45. I. Klaft, S. Borneis, T. Engel, B. Fricke, R. Grieser, G. Huber, T. Kiihl, D. Marx, R. Neumann, S. Schroder, et ai, Phys. Rev. Lett. 73, 2425 (1994).

46. P. Beiersdorfer, A. L. Osterheld, J. H. Scofield, J. R. C. Ldpez-Urrutia, and K. Widmann, Phys. Rev. Lett. 80, 3022 (1998).

47. V. M. Shabaev, Hyperfine structure of highly charged ions, in: H. F. Beyer, V. P. Shevelko (Eds.), Atomic Physics with Heavy Ions (Springer, Berlin, 1998).

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

49. V. M. Shabaev, M. Tomaselli, T. Kiihl, A. N. Arteinyev, and V. A. Yerokhin, Phys. Rev. A 56, 252 (1997).

50. M. Tomaselli, T. Kiihl, P. Seelig, C. Holbrow, and E. Kankeleit, Phys. Rev. С 58, 1524 (1998).

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

52. M. B. Shabaeva and V. M. Shabaev, Phys. Rev. A 52, 2811 (1995).

53. V. M. Shabaev, M. B. Shabaeva, 1.1. Tupitsyn, V. A. Yerokhin, A. N. Artemyev, T. Kiihl, M. Tomaselli, and О. M. Zherebtsov, Phys. Rev. A 57, 149 (1998).

54. V. M. Shabaev, M. B. Shabaeva, and I. I. Tupitsyn, Phys. Rev. A 52, 3686 (1995).

55. V. M. Shabaev, M. B. Shabaeva, and I. I. Tupitsyn, Astron. Astrophys. Trans. 12, 243 (1997).

56. M. B. Shabaeva and V. M. Shabaev, Phys. Lett. A 165, 72 (1992).

57. M. B. Shabaeva, Opt. Spectrosk. 74, 1042 (1993).

58. V. M. Shabaev, M. B. Shabaeva, 1.1. Tupitsyn, V. A. Yerokhin, A. N. Artemyev, T. Kiihl, M. Tomaselli, and О. M. Zherebtsov, Phys. Rev. A 58, 1610 (1998).

59. V. M. Shabaev, М. В. Shabaeva, 1.1. Tupitsyn, and V. A. Yerokhin, Hypcrfine Interact. 14, 129 (1998).

60. M. B. Shabaeva, Opt. Spectrosk. 86, 368 (1999).

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

62. L. Labzowsky, A. Nefiodov, G. Plunien, G. Soff, and P. Pyykko, Phys. Rev. A 56, 4508 (1997).

63. L. Labzowsky, I. Goidenko, M. Gorshtein, G. Soff, and P. Pyykko, J. Phys. В 30, 1427 (1996).

64. R. E. Marrs, S. R. Elliott, and D. A. Knapp, Phys. Rev. Lett. 72, 4082 (1994).

65. J. Asada, F. J. Currell, T. Fukami, and at al., Physica Scripta 73, 90 (1997).

66. P. H. Mokler and T. Stohlker, Adv. Mol. At. Phys. 37, 297 (1996).

67. H. Winter, S. Borneis, A. Dax, S. Faber, T. Kiihl, D. Marx, F. Schmitt, P. Seelig, W. Seelig, V. M. Shabaev, et al., Bound electron g-factor in hydrogen-like bismuth, in: U. Grundinger (Ed.), GSI Report 99-1 (GSI Darmstadt, Germany, 1999).

68. P. Beiersdorfer, K. Widmann, and J. R. C. Ldpez-Urrutia, Hyperfme Interactions 114, 141 (1998).

69. P. J. Mohr and B. N. Taylor, J. Phys. Chem. Ref. Data 28, 1713 (1999), Rev. Mod. Phys. 72, 351 (2000).

70. JI. H. Лабзовский, Теория атома. Квантовая электродинамика электронных оболочек и процессы излучения. (Наука, Москва, 1996).

71. P. Gell-Mann and F. Low, Phys. Rev. 84, 350 (1951).

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

73. G. C. Wick, Phys. Rev. 80, 268 (1950).

74. I. Lindgren, Physica Scripta T34, 36 (1991).

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

76. P. Indelicato and P. J. Mohr, Theor. Chim. Acta 80, 207 (1991).

77. И. И. Собельман, Введение в теорию атомных спектров. (Наука, Москва, 1977).

78. Д. А. Варшалович, А. Н. Москалев, В. К. Херсонский, Квантовая теория углового момента. (Наука, Ленинград, 1975).

79. P. Sunnergren, Doctoral thesis for the degree of Doctor of Philosophy (Department of Experimental Physics, Goteborg, 1998).

80. В. M. Шабаев, Д. А. Тельнов,, Релятивисткая теория сверхтонкой структуры уровней водородоподобных атомов. (Издательство Санкт-Петербургского университета, Санкт-Петербург, 1999).

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

82. M. E. Peskin and D. V. Schroeder, An Introduction to Quantum Field Theory (Addison-Wesley, 1995).8G. G. 4 Hooft and M. J. G. Veltman, Nucl. Phys. B44, 189 (1972).

83. К. де Боор, Практическое руководство по сплайнам. (Радио и связь, Москва, 1985).

84. G. Audi and А. Н. Wapstra, Nucl. Phys. А 565, 1 (1993).

85. Н. de Vries, С. W. de Jager, and C. de Vries, At. Data Nucl. Data Tables 36, 495 (1987).

86. L. Labzowsky, I. Goidenko, and P. Pyykko, Phys. Lett. A 258, 31 (1999).