ВЛИЯНИЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ АТОМНОГО ЯДРА НА СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМА тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Петрова Александра Сергеевна

• Петрова Александра Сергеевна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Петрова Александра Сергеевна

Введение

Глава 1. Нестабильные состояния и квантовая динамика в процессах релаксации

1.1. Введение

1.2. Проблема описания систем с двумя каналами релаксации

1.3. Лазерная спектроскопия в ядерной физике

1.4. Сверхкритические атомы

1.5. Формализм обобщенной квантовой динамики

Глава 2. Влияние нестабильности атомного ядра на спектр излучения атома

2.1. Одетые состояния и квантовые флуктуации

2.2. Альфа-распад

2.3. Влияние нестабильности ядра на спектр излучения атома

2.4. Оптический спектр атома 105Хе

2.5. Обсуждение результатов

2.6. Выводы к Главе

Глава 3. Излучение атомов со сверхкритическим ядром

3.1. Спонтанная эмиссия позитронов при столкновении тяжелых ионов

3.2. Уравнение Дирака

3.2.1. Свободное уравнение Дирака

3.2.2. Уравнение Дирака в электромагнитном поле

3.2.3. Решение уравнения Дирака в центрально-симметричном поле

3.2.4. Сверхкритические решения уравнения Дирака с потенциалом сферически симметричного ядра

3.2.5. Состояние |1й) в поле сверхкритического ядра

3.2.6. Коллапс атомной волновой функции в поле сверхкритического ядра

3.2.7. Собственно-энергетическая функция 1б состояния, погруженного в отрицательный континуум

3.3. Обобщенное динамическое уравнение для О0(г)

3.3.1. Суммирование по спинам

3.4. Выводы к Главе

Заключение

Приложение А

Приложение Б

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ВЛИЯНИЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ АТОМНОГО ЯДРА НА СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМА»

Введение

Актуальность темы. Оптические спектры генерируются при переходах между уровнями квантовых систем и несут в себе важную информацию о взаимодействия, формирующих структуру квантовых уровней и переходы между ними. Благодаря развитию новых технологий, в том числе и нано-технологий, для исследования стали доступны новые объекты с необычными оптическими свойствами, такие как квантовые точки, фотонные кристаллы, экзотические, одиночные и короткоживущие атомы, искусственные ядра и т.д. В таких объектах в игру вступают новые взаимодействия, приводящие к новым эффектам в оптических спектрах. Так, модификация взаимодействия электрона с собственным полем излучения в фотонно-кристаллической среде фактически эквивалентна изменению массы электрона [1]. А для сильно связанных систем квантовая точка-резонатор был обнаружена модификация взаимодействия квантовой точки с резонатором, обусловленная взаимодействием с фононами и приводящая к изменению ширины линий излучения квантовой точки [2]. Этот эффект обусловлен наличием двух каналов релаксации системы (оптическая релаксация квантовой точки и мод резонатора и их поперечная релаксация за счет взаимодействия с фононами) и различной природой квантовых флуктуаций для каждого из механизмов. Аналогичное явление можно наблюдать в атомах с нестабильным ядром: два канала релаксации (радиационная и радиоактивная) и различная природа квантовых флуктуаций, влияющих на каждый из каналов, может приводить к модификации атомного спектра. Современные методы лазерной спектроскопии позволяют изучать столь тонкие эффекты экспериментально. Благодаря развитию методов коллинеарной субдоплеровской лазерной спектроскопии стало возможным регистрировать спектральные линии естественной ширины и определять среднеквадратичный радиус короткоживущих изотопов, а также изотопов получаемых в малых количествах [3,4]. А в ходе недавно прове-

денного сверхточного измерения радиуса протона в мюонном водороде была обнаружена разность в пять стандартных отклонений от общепринятого значения. Механизм, приводящий к этому отклонению, до сих пор не найден [5]. В связи с этим, точное описание механизмов взаимодействия атомных электронов с ядром, а также описание спектров атомов с нестабильными ядрами является актуальной на сегодняшний день задачей.

В сверхкритических атомах предсказывается коллапс волновой функции, связанный с рождением из вакуума реальных электрон-позитронных пар, наблюдение которого не удалось подтвердить экспериментально на сегодняшний день. Однако в связи с экспериментальным наблюдением аналогичного коллапса волновой функции носителей заряда на высокозарядных примесях в графене [6] проблема описания связанных состояний в сверхкритических атомах вновь стала актуальной. Методы описания коллапса волновых функций атомов со сверхкритическим зарядом ядра могут быть использованы для описания такого коллапса в искусственных ядрах, что может иметь важные практические приложения.

Целью данной работы является исследование влияния нестабильности атомного ядра на взаимодействие атома с полем излучения.

Задачи:

1. Исследование влияния квантовых флуктуаций в нестабильном атомном ядре на спектры излучения и поглощения атомов;

2. Развитие оптического метода определения периода полураспада радиоактивных ядер с субмикросекундным временем жизни с точностью, превосходящей точность общепринятых методов экспериментальной ядерной физики;

3. Исследование возможности извлекать из спектров излучения и поглощения атомов с нестабильным ядром важную информацию о физических процессах в ядре;

4. Развитие нового метода для описания связанных состояний в поле сверхкритического ядра;

5. Исследование времени жизни нестабильного вакуума в поле сверхкритического ядра для поверки гипотезы существования островков стабильности в трансурановой области на карте изотопов.

Объектом исследований являются атомы с нестабильными ядрами, а именно атомы с радиоактивными ядрами, имеющими субмикросекундное время жизни, и сверхкритические атомы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Квантовые флуктуации в нестабильных атомных ядрах приводят к ослаблению взаимодействия атома с полем излучения и как следствие к уменьшению радиационной ширины энергетических уровней атома.

2. Используя две спектральные линии в атоме, соответствующие различным оптическим переходам, и учитывая эффект уменьшения их ширины, можно со спектроскопической точностью измерить период полураспада для ядер с субмикросекундным временем жизни.

3. В случае ядер, испытывающих сверхразрешенный альфа распад, используя две спектральные линии в атоме, соответствующие различным оптическим переходам, и учитывая эффект уменьшения их ширины, можно определить полную вероятность обнаружения альфа частицы внутри ядра.

4. Время жизни нестабильного вакуума в поле сверхкритического ядра имеет порядок 10_21с, что на два порядка меньше общепринятого значения.

Научная новизна. Впервые теоретически предсказан эффект ослабления взаимодействия атома с полем излучения, вызванный нестабильностью ядра и связанными с ней квантовыми флуктуациями. Предложен оптический метод определения периодов полураспада радиоактивных ядер с субмикросе-кундным временем жизни, основанный на этом эффекте. Впервые предложен

метод измерения вероятности обнаружить альфа частицу в радиоактивных ядрах, испытывающих сверхразрешенный альфа распад. Предложен новый метод последовательного описания связанных состояний в поле сверхкритического ядра, в рамках которого показано, что время жизни нестабильного вакуума в поле сверхкритического ядра имеет порядок 10"21 с, что на два порядка меньше общепринятого значения 10"19 с.

Научная значимость и практическая ценность. Предложен оптический метод измерения периода полураспада ядер с субмикросекундным временем жизни, обладающий большей точностью, чем общепринятые методы ядерной физики. В случае ядер, испытывающих сверхразрешенный альфа распад, этот метод позволяет также определить вероятность обнаружения альфа частицы внутри ядра, являющейся важной характеристикой в ядерной физике и недоступной для измерения ни одним другим из существующих методов. Методы описания коллапса волновых функций атомов со сверхкритическим зарядом ядра могут быть использованы для описания такого коллапса в искусственных ядрах, что может иметь важные практические приложения.

Сделанная оценка времени распада вакуума в поле сверхкритического ядра на два порядка меньше, чем общепринятое значение, что делает принципиально возможным наблюдение этого эффекта в эксперименте по столкновению тяжелых ядер.

Достоверность изложенных в работе результатов обеспечивается корректностью постановки задач, строгостью математических преобразований, использованием современных методов квантовой теории, которые зарекомендовали себя как наиболее точные методы и показали свою предсказательную силу, а также тем фактом, что в частном случае воспроизводятся результаты стандартной теории уширения спектральных линий атомов и уширения погруженных энергетических уровней в поле сверхкритического ядра.

Апробация работы. Основные выводы и результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры оптики и нанофотоники КФУ и докла-

дывались на 11 всероссийских и международных конференциях: «XIII-XV, XIII и XX международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2009-2011, 2014, 2016); «X, XI международные чтения по квантовой оптике» (Самара, 2007; Волгоград, 2011); «Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2009» (Санкт-Петербург, 2009); «IX международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии» (Казань, 2009); International conference on coherent and nonlinear optics 2010 (IC0N0'2010) (Казань, 2010); Women in physics Canada (Waterloo, 2011).

Личный вклад. Автор вместе с научным руководителем участвовал в постановке и решении задач и анализе полученных результатов. Основные результаты и их интерпретация выполнены диссертантом лично или при его непосредственном участии.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в статьях [А1 - А12] в рекомендованных ВАК журналах и в сборниках трудов конференций [А13 - А14].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка авторских публикаций по теме диссертации и списка литературы, включающего 106 наименований. Объем диссертационной работы составляет 118 страниц, включая 9 рисунков, 2 таблицы и 2 приложения.

В первой главе приведен обзор литературы, посвященный методам и объектам исследования современной лазерной спектроскопии, статусу и роли лазерной спектроскопии в современной ядерной физике, проблеме описания нестабильных систем с двумя каналами релаксации, а также актуальному статусу проблемы описания связанных состояний в сверхкритических полях.

Во второй главе приведены результаты исследования влияния нестабильности атомного ядра на спектр излучения атома. Выведен вектор состояния нестабильного ядра. Введена новая наблюдаемая в ядерной физике величина - полная вероятность обнаружить альфа частицу внутри ядра.

Рассмотрен эффект ослабления взаимодействия атома с полем излучения за счет нестабильности атомного ядра и роль квантовых флуктуаций в этом эффекте. Предложен оптический метод определения периода полураспада ядер, основанный на этом эффекте. А для сверхразрешенного альфа распада предложен оптический метод определения вероятности обнаружить альфа частицу внутри ядра. Построен спектр атома изотопа 105Хв, испытывающего сверхразрешенный альфа распад и продемонстрировано изменение ширины линий в этом спектре по отношению к атому стабильного изотопа теллура.

Третья глава посвящена спектрам атомов со сверхкритическими ядрами. Предложен последовательный метод описания основного электронного состояния в сверхкритическом атоме, который позволяет учитывать на всех стадиях рассмотрения, что это состояние является энергетическим распределением, а не дискретным уровнем. Построен матричный элемент оператора рождения электрон-позитронной пары из вакуума. Сделана оценка времени жизни нестабильного вакуума в поле сверхкритического ядра.

В заключении приводятся основные результаты и выводы.

Глава 1

Нестабильные состояния и квантовая динамика в процессах

релаксации

1.1. Введение

Оптические спектры генерируются при переходах между уровнями квантовых систем и несут в себе важную информацию о взаимодействия, формирующих структуру квантовых уровней и переходы между ними.

Исторически, обнаружение закономерностей в структуре оптических спектров неоднократно приводило к революционным открытиям в физике: открытие дискретной структуры водородного спектра положило начало квантовой механике, обнаружение лэмбовского сдвига привело к созданию концепции взаимодействия с вакуумом и квантовой электродинамики (КЭД). Изотопические и сверхтонкие эффекты в спектрах указали на дополнительные механизмы взаимодействия атомных электронов с ядром и легли в основу современных спектроскопических методов исследования атомных ядер [4].

Благодаря развитию новых технологий, в настоящее время для исследований стали доступны новые объекты с необычными оптическими свойствами, такие, как фотонные кристаллы, квантовые точки, одиночные атомы, экзотические атомы (мюонные, сверхкритические), искусственные ядра, пучки радиоактивных атомов и т.д. [6-10]. В таких объектах, в игру вступают новые взаимодействия, приводящие к новым квантовым эффектам, в том числе и к модификации спектров излучения и поглощения. Так, в фотонных кристаллах, сильная модификация взаимодействия электрона с собственным полем излучения приводит к изменению его массы [1]; в сильно связанных системах квантовая точка-полость фотонного кристалла взаимодействие эк-ситонов с фононным резервуаром приводит к модификации спектральных линий, излучаемых квантовой точкой [2]; в сверхкритических атомах проис-

ходит уширение основного уровня за счет погружения его в отрицательный непрерывный спектр, а в случае, если этот уровень не занят электроном, происходит распад электрон-позитронного вакуума с излучением реальной электрон-позитронной пары [9]; а во всемирно известном эксперименте по измерению лэмбовского сдвига в мюонном водороде цр [8] был определен радиус протона гр = 0.84184(67) фм с точностью, в десять раз превышающей точность предыдущих измерений, что поставило перед физиками новую проблему: полученное в этом эксперименте значение оказалось на 5 стандартных отклонений меньше общепринятого [5], что известно как "загадка радиуса протона". За 7 лет, прошедшие с момента открытия, этого отклонение так и не удалось обосновать теоретически и, возможно, решение загадки радиуса протона приведет к новому прорыву в физике.

1.2. Проблема описания систем с двумя каналами релаксации

Эффект уширения спектральных линий, излученных квантовой точкой, помещенной в полость фотонного кристалла, а также мод самой полости, обусловлен наличием двух каналов релаксации различной природы: оптическая релаксация квантовой точки и собственных мод полости и их поперечная релаксация за счет взаимодействия с фононами, приводящая к дефази-ровке. Квантовые флуктуации, т.е. не наблюдаемые (виртуальные) распады квантовой системы с последующим возвращением ее в исходное состояние, также имеют разную природу для каждого из каналов: для фононов они представляют собой излучение и поглощение фонона, а для квантовой точки и собственных мод полости - излучение и поглощение фотона. Квантовые флуктуации описываются реальной частью собственно-энергетической функции, их величина пропорциональна третьей степени константы связи и в силу малости постоянной тонкой структуры а = 1/137 пренебрежимо мала для квантовой точки и мод резонатора, тогда как для фононов име-

ет измеримое значение. Это приводит к появлению реальной части фонон-ной собственно-энергетический функции в спектрах излучения квантовой точки Sr(г, ш) и полости фотонного кристалла Sc(г, ш), и как следствие к уменьшению фононно-модифицированной константы связи между квантовой точкой и полем излучения д [2]:

Sc(г,ш) = Рс(г)Тс

2дшс(шх+ш) (1 + ш^рЬ + )

шХ —шХ—шГх\ шХ—ш1 —шГх ' ' ' '

ш2 _ ш2 _ шг — 4дХШхШс (1 + ш^рЬ )

с с ш1 — ш1 — гшГ„ V ш1 — ш1 — гшГ„ ' ' ''

(1.1)

где Гс - геометрически фактор полости резонатора, шс и Гс - собственная частота и ширина распада поперечных мод полости фотонного кристалла соответственно, шх и Гх - собственная частота и ширина распада экситона квантовой точки.

Экспериментальное наблюдение столь тонких эффектов становится возможным благодаря развитию методов лазерной спектроскопии, апогеем которого стало создание лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения на основе оптических частотных решеток, что сделало возможным измерение частоты оптических переходов с беспрецедентной точностью (до 14-го знака после запятой) [11]. Эта технология открыла дорогу для фундаментальных исследований, таких как КЭД связанных состояний, измерение постоянной Ридберга Яю, отслеживание изменения во времени фундаментальных констант [12,13].

1.3. Лазерная спектроскопия в ядерной физике

Одним из важнейших прикладных аспектов лазерных технологий на сегодняшний день является их обширное применение в ядерной физике. Внедрение техники оптических частотных решеток совместно с коллинеарной лазерной спектроскопией [14-17] позволило наряду с атомами стабильных изотопов изучать также и атомы короткоживущих изотопов и изотопов, получаемых в малых количествах [10,18-20], положив начало новому экспериментальному

2

направлению — спектроскопии пучков радиоактивных атомов. Так, измерения изотопических сдвигов и сверхтонкого расщепления вдоль одной изотопический цепи, проводимое в рамках этого направления, позволяет делать выводы об изменении формы, размеров и структуры ядер при переходе от одного изотопа к другому и отслеживать зависимость характеристик ядра от числа нуклонов, входящих в его состав. Обнаруженные таким образом изломы на графике зависимости среднеквадратичного радиуса ядра от количества нуклонов в нем явились важным экспериментальным, модельно-независимым, доказательством существования магических чисел и справедливости оболо-чечной модели ядра [16], большая величина изотопического сдвига в легких ядрах служит модельно-независимым доказательством существования нейтронного и протонного гало и позволяет сделать оценку его пространственного распределения [21,22], тогда как величина сверхтонкой магнитной аномалии является характеристикой степени несферичности ядра [10,23], а для гало-ядер - характеристикой распределения нуклонов внутри гало [24]. Таким образом, лазерная спектроскопия - это важный (а в случае короткожи-вущих ядер - порой и единственный) инструмент исследования в ядерной физике, который позволяет получать ценную модельно-независимую информации об атомном ядре и связывает между собой столь далекие по энергии области, как атомная и ядерная физика.

Однако не только спин и конечные размеры ядра могут оказывать влияние на спектр атома. В настоящей работе мы покажем, что нестабильность атомного ядра также может приводить к измеримым эффектам в спектре, а именно сказываться на ширине спектральных линий атома. Этот эффект наиболее ярко проявляется в случае, когда время жизни нестабильного ядра сравнимо с временем оптического перехода в атоме. Благодаря такой корреляции, сравнимыми являются и вклады от двух возможных каналов распада (радиоактивный и радиационный) в ширину распада атомной системы как целого являются сравнимыми. Это приводит к тому, что формула для

ширины спектральной линии включает как ширину атомного перехода, так и ширину распада атомного ядра. В то же время, как и в случае квантовой точки, помещенной в полость фотонного кристалла [2], квантовые флуктуации в радиоактивном атоме имеют различную природу для каждого из каналов релаксации. В квантовых флуктуациях на ядре участвует сильное взаимодействие и потому они являются намного более интенсивными, чем квантовые флуктуации на электронах. В настоящей работе мы показываем, что это приводит к подавлению дипольного момента оптического перехода и уменьшению вклада ширины оптического перехода в общую ширину спектральной линии, излученной атомом. Мы демонстрируем эффект на примере атома изотопа 105Те, который испытывает сверхразрешенный альфа распад с периодом полураспада около 700 нс [25,26]. Обсуждается идея оптического метода измерения периода полураспада 105Те, который позволил бы не только существенно увеличить точность измерения, но и дополнительно сделал бы возможным экспериментальное определение вероятности обнаружения альфа частицы внутри ядра, что невозможно сделать никаким из существующих методов.

В заключение обсуждения роли лазеров в ядерной физике отметим также возможность их применения для генерации и ускорения пучков заряженных частиц (протонов, нейтронов и гамма частиц) и индуцирования ядерных реакций в лаборатории без использования ядерных реакторов и ускорителей частиц [27,28], которые стали возможными благодаря созданию технологии чирпированных лазерных импульсов [29,30], позволяющей генерировать сверхинтенсивное сфокусированное лазерного излучения мощностью порядка 1015 Вт (100 петтаватт). С помощью этой технологии планируется также осуществить проекты по ускорению альфа-распада в сильном лазерном поле за счет увеличения вероятности туннелирования альфа-частицы через потенциальный барьер [31,32].

1.4. Сверхкритические атомы

Сильные поля и связанные с ними непертурбативные эффекты играют важную роль во многих областях физики. Эффекты сильного поля могут возникать не только в ядерной физике, где константа связи велика а3 ~ 1, но и в КЭД, характеризуемой постоянной тонкой структуры а ~ 1/137. Это может иметь место в двух случаях: в сверхинтенсивном лазерном поле [29,30] и в сверхкритических атомах, то есть атомах с ядром, заряд 2 которого превышает критическое значение 2сг = 173 [9]. В настоящей работе мы сфокусируемся на сверхкритических атомах.

Если экстраполировать атомную структуру за пределы таблицы химических элементов, в область зарядовых чисел ядра 2 = 170... 190, энергия связи электронов на нижних уровнях окажется чрезвычайно большой. В частности, основное состояние 11^1/2) и следующее за ним состояние |1р1/2), пересекут энергетическую зону, разделяющую верхний и нижний энергетические континуумы решений уравнения Дирака. Полная энергия Е1з основного состояния станет отрицательной при ^ = 150 и достигнет порогового значения —те2 при критическом значении ядерного заряда 2 = 173 (энергия связи электрона при этом будет равна его удвоенной энергии покоя 2те = 1.022 МэВ). В классической механике такое поведение соответствует падению частицы на центр по спиральной траектории при определенном значении кулоновского потенциала. Аналогичная нестабильность возникает и в квантовой механике: решение уравнение Дирака с точечным ядром приводит к результату, что все связанные состояния с релятивистским угловым моментом к = ±1, т.е. все ив1/2 и пр1/2 состояния, перестают существовать при 2сга = 1, т.е. при 2сг = 137. Такой "коллапс волновой функции" является квантовым аналогом классического спирального падения на центр.

Однако в реальных атомных системах, в силу неточечности ядра, коллапса при 2 = 137 не происходит. В противоположность этому, основной

уровень продолжает опускаться, пока не достигнет верхней границы отрицательного непрерывного спектра решений уравнения Дирака при Z ~ 173. При дальнейшем увеличении заряда происходит качественный переход: основное состояние покидает область дискретного спектра и переходит в нижний энергетический континуум уравнения Дирака, преобразуясь из дискретного уровня в узкий резонанс. При таком переходе, основное состояние не исчезает, а продолжает погружаться в континуум, при этом его энергия продолжает круто увеличиваться, а область пространственного распределения - быстро уменьшаться. Как было показано в [9], волновая функция такого погруженного состояния представляет собой сверхкритический ls-резонанс вблизи ядра и осциллирующий хвост, описывающий позитрон в состоянии рассеяния.

Изучение физики этого "сверхкритического" состояния началось еще в 1970-х годах с работ советских и немецких физиков [33,34]. Однако корнями эта проблема уходит еще в эпоху раннего развития релятивистской квантовой механики, когда Клейном было обнаружено аномальное поведение коэффициентов отражения и прохождения при рассеянии на сверхкритическом электростатическом потенциале V > 2me. В 1931 г. Слейтер нашел, что коэффициент прохождения T при туннелировании через энергетическую зону между верхним и нижним отрицательным континуумом уравнения Дирака при потенциальном барьере конечной ширины a имеет следующий вид: T & exp[-nmec2/(V0a)(h/mec2)] = exp[-Ecr/Е]. Это выражение отображает неаналитическую зависимость коэффициента T от напряженности электрического поля E и его экспоненциальное подавлении при достижении крити-

2 3

ческого значения Ecr = c =1-3 • 1018 В/м. Вскоре стало понятно, что квантовоэлектродинамический вакуум - это не пустота, а некая поляризуемая среда, в которой под воздействием внешнего поля может происходить рождение виртуальных и (если поле достаточно сильное) реальных электрон-позитронных пар. Позже, лаконичное описание такой нестабильности вакуу-

ма было дано Швингером [35], поэтому в настоящее время часто используется термин "Швингеровское рождение пар" а критическая напряженность поля называется Швигнгеровским пределом.

Существование такого механизма является общепризнанным фактом, но его экспериментальное наблюдение до сих пор не было осуществлено. В лаборатории невозможно создать ультрасильные поля с Е ~ Есг макроскопического масштаба. Однако это становится возможным на атомном уровне: напряженность электрического поля на поверхности сверхкритического ядра (2 > 137) на несколько порядков превышает Есг. Как обсуждалось выше, при этом основной энергетический уровень погружается в отрицательный непрерывный спектр уравнения Дирака, превращаясь в узкий резонанс. На языке теории дырок Дирака, когда в нижнем энергетическом континууме появляется незанятое связанное состояние, оно может быть занято электроном из Дираковского моря, который оставит после себя дырку, т.е. положительно заряженный позитрон, который улетает на бесконечность, испытывая отталкивающий потенциал ядра. Это является примером швингеровского механизма рождения пар. Этот процесс также называют спонтанным рождением пар или распадом вакуума КЭД. Отличием этого процесса от швингеров-ского рождения пар в постоянных электрических полях является то, что в сверхкритических атомах сильное поля заключено в пространственно малой области, которая может вместить лишь небольшое число электронов. Таким образом, после того, как все свободные состояния оказываются занятыми, рождение электронов прекращается за счет принципа запрета Паули. В слабо сверхкритических полях (172 < 2 < 185), когда в отрицательный континуум погружено лишь основное состояние атома, этот механизм допускает рождение всего двух позитронов (за счет вырождения по спину).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петрова Александра Сергеевна, 2017 год

Литература

1. Gainutdinov, R.K. Electron rest mass and energy levels of atoms in the photonic crystal medium / R. K. Gainutdinov, M. A. Khamadeev, M. K. Salakhov // Phys. Rev. A. - 2012. - V. 85. - P. 053836.

2. Hughes, S. Influence of electron-acoustic phonon scattering on off-resonant cavity feeding within a strongly coupled quantum-dot cavity system / S. Highes et al // Phys. Rev. B. - 2013. - V. 83. - P. 165313.

3. Cheal, B.Progress in laser spectroscopy at radioactive ion beam facilities / B. Cheal, K. T. Flanagan // J. Phys. G. - 2010. - V. 37. - P. 113101.

4. Campbell, P. Laser spectroscopy for nuclear structure physics / P. Campbell, I. D. Moore, M. R. Pearson // Prog. Part. Nucl. Phys. - 2016. - V. 86. -P. 127-180.

5. Antognini, A. Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen / A. Antognini et al // Science. - 2013. -V. 339. - P. 417-420.

6. Wang, Y. Observing Atomic Collapse Resonances in Artificial Nuclei on Graphene / Y. Wang et al // Science. - 2013. - V. 330. - P. 734-737.

7. Bellingeri, M. Optical properties of periodic, quasi-periodic, and disordered one-dimensional photonic structures / M. Bellingeri, A. Chiasera, I. Kriegel, F. Scotognella // Opt. Mater. - 2017. - V. 72. - P. 403-421.

8. Pohl, R. The size of the proton / R. Pohl et al // Nature. - 2010. - V. 466.

- P. 213-216.

9. Greiner, W. Quantum Electrodynamics of strong fields / W. Greiner, B. Muller, J. Rafelski. - Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 1985. - 596 p.

10. Blaum, K. Precision atomic physics techniques for nuclear physics with radioactive beams / K. Blaum, J. Dilling, W. Nörtershäuser // Phys. Scr.

- 2013. - T152. - P. 014017.

11. Hansch, T. W. Nobel lecture: Passion for precision / T. W. Hansch // Rev. Mod. Phys. - 2006. - V. 78(4). - P. 1297-1307.

12. Karshenboim, S. G. Study of hyperfine structure in simple atoms and precision tests of the bound state QED / S. G. Karshenboim, S. I. Eidelman, P. Fendel, V. G. Ivanov, N. N. Kolachevsky, V. A. Shelyuto, T. W. Hansch // Nucl. Phys. B. - 2006. - V. 162. - P. 260-263.

13. De Beauvoir, B. Absolute frequency measurement of the 2S-8S/D transitions in hydrogen and deuterium: New determination of the rydberg constant / B. de Beauvoir, et al // Phys. Rev. Lett. - 1997. - V. 78(3). - P. 440-443.

14. Neugart, R. Collinear laser spectroscopy at ISOLDE: new methods and highlights / R. Neugart //J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. - 2017. - V. 44. -P. 064002.

15. Procter, T. J. Development of the CRIS (Collinear Resonant Ionisation Spectroscopy) beam line / T.J. Procter et al // J. of Phys.: Conf. Ser. -2012. -V. 381. P. 012070.

16. Roussiere, B. Laser spectroscopy: a powerful tool for the determination of the global properties of the ground and isomeric states / B. Roussiere for the COMPLIS collaboration // AIP Conference Proceedings. - 2007. - V. 884. - P. 107-112.

17. Neugart, R. Lasers in nuclear physics - A review / R. Neugart // Eur. Phys. J. A. - 2002. - V. 15. - P. 35-39.

18. Nortershauser, W. Chapter 6: Nuclear charge radii of light elements and recent developments in collinear laser spectroscopy / W. Nortershauser, Ch. Geppert // Lecture Notes in Physics. - 2014. - V. 879, №1. - P. 233-292.

19. Nortershauser, W. Isotope-shift measurements of stable and short-lived lithium isotopes for nuclear-charge-radii determination / W. Nortershauser et al // Phys. Rev. A. - 2011. - V. 83. - P. 012516.

20. Lu, Z.-T. Colloquium: Laser probing of neutron-rich nuclei in light atoms / Z.-T. Lu, P. Mueller, G. W. F. Drake, W. Nörtershausen Steven C. Pieper, Z.-C. Yan // Rev. Mod. Phys. - 2013. - V. 85. -P. 1383-1400.

21. Drake, G. W. F. High precision atomic data as a measurement tool for halo nuclei: Theory / G. W. F. Drake, Z.-C. Yan // AIP Conf. Proc. - 2013. -V. 1545. - P. 32-51.

22. Drake, G. W. F. Properties of halo nuclei from atomic isotope shifts / G. W. F. Drake, Z.-C. Yan // Nucl. Phys. A. - 2007. - V. 790(1-4). - P. 151-160.

23. Гангрский, Ю. П. Сверхтонкая магнитная аномалия в изотопических парах 151'152Eu и 152>153Eu / Ю. П. Гангрский, С. Г. Земляной, Д. В. Караиванов, К. П. Маринова, Б. Н. Марков // Письма в ЭЧАЯ. - 2008.

- Т. 5, № 1(143). - С. 53-58.

24. Takamine, A. Hyperfine Structure Constant of the Neutron Halo Nucleus 11Be+ / A. Takamine et al // Phys. Rev. Lett. - 2014. - V. 112. - P. 162502.

25. Seweryniak D. a decay of 105Te / D. Seweryniak et al // Phys. Rev. C. -2006. - V.73. - P. 061301.

26. Liddick, S. N. Discovery of 109Xe and 105Te: Superallowed a Decay near Doubly Magic 100Sn / S. N. Liddick et al // Phys. Rev. Lett. - 2006. - V. 97. - P. 082501.

27. Ledingham, K. W. D. Laser Induced Nuclear Physics and Applications / K.W.D. Ledingham // Nuclear Physics A. - 2005. - V. 752. - P. 633c-644^

28. Zamfir, N.V. Nuclear physics with 10 PW laser beams at Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics (ELI-NP) / N.V. Zamfir // Eur. Phys. J. Special Topics. - 2014. - V. 223. - P. 1221-1227.

29. Strickland, D. Compression of amplified chirped optical pulses / D. Strickland, G. Mourou // Opt. Commun. - 1985. - V. 56. - P. 219-221.

30. Gerstner, E. Laser physics: Extreme light / E. Gerstner // Nature. - 2007.

- V. 446. - P. 16-18.

31. Mi§icu, Speeding of a-decay in strong laser fields / Mi§icu, M. Rizea // Open Phys. - 2016. - V. 14. - P. 81-87.

32. http://www.eli-np.ro/documents/ELI-NP-WhiteBook.pdf

33. Müller, B. Auto-ionization of positrons in heavy ion collisions / B. Müller, J. Rafelski, W. Greiner // Z. Phys. - 1972. - V. 257, № 62. - P. 183-211.

34. Зельдович, Я. Б. Электронная структура сверхтяжелых атомов / Я. Б. Зельдович, В. С. Попов // УФН. - 1971. - Т. 105. - С. 403-440.

35. Schwinger, Ju. On Gauge invariance and vacuum polarization / Ju. Schwinger // Phys. Rev. - 1951. - V. 82, № 5. - P. 664-679.

36. Seiwert, M. Do heavy-ion potentials have pockets? / M. Seiwert, W. Greiner, W. T. Pinkston //J. Phys. G: Nucl. Phys. - 1985. - V. 11. - L21-L26.

37. Müller, B. The Two Centre Dirac Equation / B. Müller, W. Greiner // Z. Naturforsch. - 1976. - V. 31a. - P. 1-31.

38. . Popov, V. S. Critical charge in quantum electrodynamics / V. S. Popov // Phys. Atom. Nuclei. - 2001.- V. 64. -P. 367-392.

39. Schweppe, J. Observation of a peak structure in positron spectra from U+Cm collisions / J. Schweppe et al // Phys. Rev. Lett. - 1983. - V. 51, № 25. - P. 2261-2264.

40. Backe, H. Observation of positron creation in superheavy ion-atom collision systems / H. Backe et al. // Phys. Rev. Lett. - 1978. - V. 40, № 22. -P. 1443-1446.

41. Cowan, T. Anomalous positron peak from supercritical collision systems / T. Cowan et al. // Phys. Rev. Lett. - 1985. - V. 54, № 6. - P. 1761-1764.

42. Belkacem, A. Measurement of Electron Capture from Electron-Positron Pair Production in Relativistic Heavy Ion Collisions / A. Belkacem, H. Gould, B. Feinberg, R. Bossingham, W. E. Meyerhof // Phys. Rev. Lett. - 1993. -V. 71. - P. 1514.

43. Ganz, R. Search for Pairs with Narrow Sum-Energy Distribution in Heavy Ion Collisions / R. Ganz, et al. (EPoS II collaboration) // Phys. Lett. B. -1996. - V. 389. - P. 4-12.

44. Leinberger, U. New Results on e+e"-Line Emission in U+Ta Collisions / U. Leinberger et al (ORANGE Col-laboration) // Phys. Lett. B. - 1997. -V. 394, Issue 1-2. - P. 16-22.

45. Ahmad, I. Positron-Electron Pairs Produced in Heavy-Ion Collisions / I. Ahmad et al // Phys. Rev. C. - 1999. - V. 60. - P. 064601.

46. Pereira, V. M. Coulomb impurity problem in graphene / V. M. Pereira, J. Nilsson, A. H. Castro Neto // Phys. Rev. Lett. -2007. - V. 99. - P. 166802.

47. Shytov, A. V. Atomic collapse and quasi-rydberg states in graphene / A. V. Shytov, M. I. Katsnelson, L. S. Levitov // Phys. Rev. Lett. - 2007. - V. 99.

- P. 246802.

48. Shytov, A. V. Vacuum polarization and screening of supercritical impurities in graphene / A. V. Shytov, M. I. Katsnelson, L. S. Levitov // Phys. Rev. Lett. - 2007. - V. 99. - P. 236801.

49. Castro Neto, A. H. The electronic properties of graphene / A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, A. K. Geim // Rev. Mod. Phys. - 2009. - V. 81. - P. 109-162.

50. Novoselov, K. S. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene / K. S. Novoselov et al // Nature. - 2005. - V. 438. - P. 197200.

51. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene / Y. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer, P. Kim // Nature. - 2005.

- V. 438. - P. 201-204.

52. Naghdi, M. Nucleon-Nucleon Interaction: A Typical/Concise Review / M. Naghdi // Phys. Part. Nucl. - 2014. - V. 45, № 5. - P. 924-971.

53. Weinberg, S. Nuclear forces from chiral lagrangians / S. Weinberg // Phys. Lett. B. - 1990. - V. 251. - P. 288-292.

54. Weinberg, S. Effective chiral lagrangians for nucleon-pion interactions and nuclear forces / S. Weinberg // Nucl. Phys. B. - 1991. - V. 363. - P. 3-18.

55. Gainutdinov, R. Kh. Nonlocal interactions and quantum dynamics / R. Kh. Gainutdinov //J. Phys. A: Math. Gen. — 1999. — V. 32. — P. 5657-5677.

56. Gainutdinov, R. Kh. Nonlocality of the NN interaction in an effective field theory / R. Kh. Gainutdinov, A. A. Mutygullina // Phys. Rev. C. - 2002. - V. 66. - P. 014006.

57. Van Kolk, U. Effective field theory of nuclear forces / U. van Kolk // Prog. Part. Nucl. Phys. - 1999. - V. 43. - P. 409-418.

58. Gainutdinov, R. Kh. Effects of nonlocality in time of interactions of an atom with its surroundings on the broadening of spectral lines of atoms / R. Kh. Gainutdinov, A. A. Mutygullina, W. Scheid // Phys. Lett. A. - 2002. -V. 306. - P. 1-9.

59. Feynman, R. P. Space-Time Approach to Non-Relativistic Quantum Mechanics / R. P. Feynman // Rev. Mod. Phys. - 1948. - V. 20. - P. 367387.

60. Feynman, R. P. Quantum Mechanics and Path Integrals / R. P. Feynman,

A. R. Hibbs, - NY: McGraw-Hill, 1965. - 54 P.

61. Шифф, Л. Квантовая механика / Л. Шифф, - М.: Наука, 1967. - 126 c.

62. Левич, В. Г. Курс теоретической физики / В. Г. Левич, Ю. А. Вдовин,

B. А. Мямлин, — М. : Наука, 1971. — Т. 2. -- 936 с.

63. Cohen-Tannoudji, C. Atom-photon interactions: basic processes and applications / C. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc, G. Grynberg, -Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004. - 656 p.

64. Gainutdinov, R. Kh. The decay and energy distribution of unstable bound states / R. Kh. Gainutdinov //J. Phys. A. - 1989. - V. 22, Issue 3. -P. 269-286.

65. Gamow, G. Zur Quantentheorie der Atomzertrömmerung / G. Gamow // Z. Phys. - 1929. - V 52, Issue 7-8. - P. 510-515.

66. Condon, E. U. Quantum Mechanics and Radioactive Disintegration / E. U. Condon, R. W. Gurney // Nature. - 1928. - V. 122. - P. 439.

67. Lovas, R. G. Microscopic theory of cluster radioactivity / R. G. Lovas, R. J. Liotta, A. Insolia, K. Varga, D. S. Delion // Phys. Rep. - 1998. - V. 294.

- P. 265-362.

68. Zhang, H. F. Assault frequency and preformation probability of the a emission process / H. F. Zhang, G. Royer, J. Q. Li // Phys. Rev. C. -2011. -V. 84. - P. 027303.

69. Varga, K. Absolute alpha decay width of Po212 in a combined shell and cluster model / K. Varga, R. G. Lovas, R. J. Liotta // Phys. Rev. Lett. -1992. -V. 69(1). - P. 37-40.

70. MacFarlane, R.D. New region of alpha radioactivity / R.D. MacFarlane, A. Siivola // Phys. Rev. Lett. - 1965. - V. 14(4). - P. 114-115.

71. Mohr, P. Super-allowed a decay above doubly-magic 100Sn and properties of 104Te =100 Sn ® a / P. Mohr // Eur. Phys. J. A. - 2007. - V. 31. -P. 23-28.

72. Roeckl, E. Alpha Radioactivity / E. Roeckl // Radiochimica Acta. - 1995. -V. 70/71. - P. 107-121.

73. Wang, Y. Z. a-decay half-lives around N = Z isotopes / Y. Z. Wang, Z. Y. Li, G. L . Yu, Z. Y. Hou // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. - 2014. - V. 41.

- P. 055102.

74. Liddick, S. N. Discovery of the 109Xe ^105 Te ^101 Sn alpha decay chain / S. N. Liddick et al // AIP Conference Proceedings. - 2007. - V. 961. -P. 123-127.

75. Xu, Ch. Half-lives of a-emitters approaching the N = Z line / Ch. Xu, Zh. Ren // Phys. Rev. C. - 2006. - V. 74. - P. 037302.

76. Seif, W. M. Preformation probability inside a emitters around the shell closures Z = 50 and N = 82 / W. M. Seif, M. Ismail, E. T. Zeini //J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. - 2017. - V. 44. - P. 055102.

77. Guo, Sh. The nuclear deformation and the preformation factor in the a-decay of heavy and superheavy nuclei / Sh. Guo, X. Bao, Y. Gao, J. Li, H. Zhang // Nucl. Phys. A. - 2015. - V. 934. - P. 110-120.

78. Royer, G. Alpha emission and spontaneous fission through quasi-molecular shapes / G. Royer //J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. - 2000. - V. 26. -P. 1149-1170.

79. Santhosh, K. P. Cluster formation probability in the trans-tin and trans-lead nuclei / K.P. Santhosh, R. K. Biju, Sabina Sahadevan // Nucl. Phys.

A. - 2010. - V. 838. - P. 38-49.

80. Zhang, H. F. a particle preformation in heavy nuclei and penetration probability / H. F. Zhang, G. Royer // Phys. Rev. C. - 2008. - V. 77.

- P. 054318.

81. Sansonetti, J. E. Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Data / J. E. Sansonetti, W. C. Martin //J. Phys. Chem. Ref. Data. - 2005. - V. 34. -P. 1559-2259.

82. Makdisi, Y. Ultraviolet and visible spectra of tellurium I / Y. Makdisi, K. S. Bhatia // J. Phys. B. - 1982. - V. 15. - P. 909-913.

83. Murphy, N. Discrete structure in the 4d photoabsorption spectrum of tellurium and its ions / N. Murphy, J. T. Costello, E. T. Kennedy, C. McGuinness, J. P. Mosnier, B. Weinmann, G. O'Sullivan //J. Phys.

B. - 1999. - V. 32. - P. 3905-3922.

84. Morton, D.C. Atomic data for resonance absorption lines. II. Wavelengths longward of the Lyman limit for heavy elements // D.C. Morton // ApJS.

- 2000. - V. 130 - P. 403-436.

85. Garpman, S. Theoretical transition probabilities between the np3(n + 1)s ^ np4 configurations of SeI and TeI / S. Garpman, L. Holmgren, A. Rosen // Phys. Scr. - 1074. - V. 10. - P. 221-226.

86. Ubelis, A. P. 5s25p36s — 5s25p4 Transition Probabilities of Te I / A. P. Übelis, U. V. Berzinsh // Physica Scripta. - 1991. - V. 43. -P. 162-165.

87. de Groote, R. P. Use of a Continuous Wave Laser and Pockels Cell for Sensitive High-Resolution Collinear Resonance Ionization Spectroscopy / R. P. de Groote et al // Phys. Rev. Lett. - 2015. - V. 115. - P. 132501.

88. Tsipenyuk, Yu. M. Nuclear methods in sciece and technology / Yu. M. Tsipenyuk, - Bristol: IOP Publishing Ltd, 1997. - 461 p.

89. Grzywacz, R. Applications of digital pulse processing in nuclear spectroscopy / R. Grzywacz // Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. B. - 2003.

- V. 204. - P. 649-659.

90. Decman, D. J. Decay of the ground state and the 2f+ isomer in 217Ac and g-factor measurements from perturbed a-particle angular distributions / D. J. Decman et al // Nucl. Phys. - 1985. - V. A436. - P. 311-337.

91. Dirac, P. A. M. Principles of quantum mechanics / P. A. M. Dirac, - Oxford: Univercity Press, 1958. - 312 p.

92. Pomeranchuk, I. On the energy levels of systems with Z > 137 / I. Pomeranchuk, J. Smorodinsky //J. Phys. — 1945. — V. IX, № 2. -- P. 97100.

93. Greiner, W. Quantenelectrodynamik / W. Greiner, J. Rafelski - Berlin Heidelber: Springer-Verlag, 1985. - 596 P.

94. Герштейн, С. С. Рождение позитронов при сближении тяжелых ядер и поляризация вакуума // С. С. Герштейн, Я. Б. Зельдович // ЖЭТФ. -1969. — Т. 64. — С. 654-659.

95. Schramm, S. Positron line structure in U-U collisions / S. Schramm, J. Reinhardt, U. Möller, B. Möller, W. Greiner // Z. Phys. A. - Atomic Nuclei.

- 1986. - V. 323. - P. 275-280.

96. Ахиезер, А.И. Квантовая электродинамика / А.И. Ахиезер, В.Б. Бере-стецкий, - М: Наука, 1969. - 624 c.

97. Хелзен, Ф. Кварки и лептоны / Ф. Хелзен, А. Мартин, - М: Мир, 1987. - 456 c.

98. Берестецкий, В.Б. Релятивистская квантовая теория / В.Б. Берестец-кий, Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский, - М: Наука, 1968. - 480 c.

99. Greiner, W. Quantenelectrodynamik / W. Greiner, J. Rafelski - Berlin Heidelber: Springer-Verlag, 1985. - 596 p.

100. Попов, В. С. Метод мнимого времени для периодических полей / В. С. Попов // ЯФ. - 1974. - Т. 19, № 2. - С. 1140-1156.

101. Фок, В. А. О двух основных толкованиях соотношения неопределенности для энергии и времени / В. А. Фок, Н. С. Крылов // ЖЭТФ. -1947. - Т. 17. - С. 93-107.

102. Müller, B. Electron Wave Functions in Over-Critical Electrostatic Potentials / B. Müller, J. Rafelski, W. Greiner // Nuovo Cimento - 1973. - V. 18A, № 3. - P. 551-573.

103. Müller, B. Electron Shells in Over-Critical External Fields / B. Miiller, J. Rafelski, W. Greiner // Z. Physik. - 1972. - V. 257. - P. 62-77.

104. Reinhardt, J. Theory of positron production in heavy-ion collisions / J. Reinhardt, B. Müller, W. Greiner // Phys. Rev. A. - 1981. - V. 24, № 1. -P. 103-128.

105. Reinhardt, J. Quantum electrodynamics of strong fields / J. Reinhardt, W. Greiner // Rep. Progr. Phys. - 1977. - V. 40. - P. 219-295.

106. Лабзовский Л.Н. Теория тома. Квантовая электродинамика электронных оболочек и процессы излучения / Л.Н. Лабзовский - М: Наука. Физматлит, 1996. - 304 с.