原子物理前沿介紹

原子物理前沿介紹第一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二現(xiàn)在的物理學(xué)處于什么樣的時(shí)代？物理學(xué)最關(guān)心的問(wèn)題？（兩暗一黑三起源）物理學(xué)將來(lái)的突破口在哪里？（精密與極端）第二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二原子精密譜PartI第三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二精密譜的理論背景及研究現(xiàn)狀問(wèn)題：對(duì)于少電子原子體系，如氦，鋰等，如何把它們的物理能級(jí)精確地計(jì)算出來(lái)？（考慮相對(duì)論效應(yīng)，QED效應(yīng)等）目前最有效的方法：

1）求解非相對(duì)論薛定諤方程，得到足夠精確的和。

2）用量子電動(dòng)力學(xué)或量子場(chǎng)論的方法導(dǎo)出各級(jí)相對(duì)論修正算符和QED修正算符。

3）計(jì)算修正算符的期望值以及原子核的有限質(zhì)量和有限尺寸帶來(lái)的修正，最終得到物理能級(jí)。原子能級(jí)可以寫為第四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二做精密譜物理的意義(考慮到理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量都能很高的精度)：1）驗(yàn)證QED理論（特別是束縛態(tài)QED），檢驗(yàn)物理定律的自洽性。2）確定某些物理常數(shù)，如，

2010年，Smicilas和Shiner[1]利用氦原子的23P0到23P2精細(xì)結(jié)構(gòu)間的躍遷并結(jié)合Pachucki[2]等人的最新理論計(jì)算，定出精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)為其中，（64）是實(shí)驗(yàn)的不確定度，（4）理論計(jì)算的不確定度，（260）是沒有計(jì)算的其他項(xiàng)帶來(lái)的不確定度。3)驗(yàn)證原子核模型

鋰原子的特性：含有三個(gè)電子，可以用來(lái)檢驗(yàn)或驗(yàn)證量子力學(xué)關(guān)于多體問(wèn)題的一些結(jié)論，比如三個(gè)角動(dòng)量的耦合理論等。氦原子的特性：最簡(jiǎn)單的多體。[1]

M.SmiciklasandD.Shiner,Phys.Rev.Lett.105,123001(2010)[2]K.PachuckiandY.A.Yerokhin,Phys.Rev.Lett.104,070103(2010)第五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二“精密”一詞的含義計(jì)算誤差（數(shù)學(xué)）：

高階項(xiàng)誤差（物理）：要求：兩種誤差是可控的第六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二原子光譜實(shí)驗(yàn)值原子核參數(shù)與核物理模型無(wú)關(guān)

驗(yàn)證各種核物理模型理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合原子與原子核交叉ee3He第七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二QED理論和基本物理常數(shù)理論表達(dá)式包含基本物理常數(shù)確定物理常數(shù)是精密譜物理的一部分QED的精密驗(yàn)證涉及到多學(xué)科:原子物理,核物理(hyperfine,Rnuc,nuclearpol.),高能物理,激光光譜,頻標(biāo),量子場(chǎng)論,計(jì)算物理對(duì)簡(jiǎn)單體系的研究,如H,He,將仍然是取之不盡的知識(shí)來(lái)源精密譜水平:衡量原子物理整體水平的指標(biāo)第八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二氫分子離子H2+,D2+,HD+:Schiller’s小組用Be+交感冷~mK，PhysicalReviewLetters98,173002(2007)驗(yàn)證相對(duì)論和量子電動(dòng)力學(xué)，以及分子計(jì)算理論高精度定出質(zhì)量比值，例如me/mp

基本物理常數(shù)隨時(shí)間的變化第九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二理論進(jìn)展：相對(duì)論與輻射修正第十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二6,7Li+精密光譜—2P態(tài)精細(xì)與超精細(xì)結(jié)構(gòu)Naturallinewidth3.7MHz

束縛態(tài)QED理論檢驗(yàn)

精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)確定

核電荷半徑確定

2S-2P:

可見光、自然線寬窄

23S1亞穩(wěn)態(tài)壽命~50s第十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二Li+離子精密光譜：York大學(xué)離子束實(shí)驗(yàn):

離子運(yùn)動(dòng)效應(yīng)譜線線形不對(duì)稱

譜線中心頻率精確確定困難

第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二Li+離子精密光譜

理論與實(shí)驗(yàn)在MHz

到亞MHz

量級(jí)范圍內(nèi)符合高階QED效應(yīng)需要精度提高2-3個(gè)量級(jí)(kHz)摘自WijngaardenandNoble,Lect.NotesPhys.745,111(2008);[12]Riis&Drake,PRA49,207(1994);[17]ClarkeandVijngaarden,PRA67,012506(2003);[18]Kowalskietal,Hyp.Int.15/16,15(1983)第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二Hylleraas坐標(biāo)下關(guān)于氦原子的變分計(jì)算成果結(jié)論：氦原子薛定諤方程的精確求解工作做得非常好！YearAuthorsNEnergyn1928Hylleraas6-2.9032441957Kinoshita39-2.903722561962Schwartz189-2.90372437691986Freundetal.230-2.9037243770340131998Goldman8066-2.903724377034119594182002Drakeetal.2358-2.903724377034119598305202002Korobov5200-2.9037243770341195983111587242006Schwartz24099-2.90372437703411959831115924519440444669692530983844第十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二Hylleraas坐標(biāo)下關(guān)于鋰原子的變分計(jì)算成果YearAuthorsNEnergyn1963Burke13-7.4779531968Larsson60-7.47802551986Kingetal.352-7.47805851991McKenzieandDrake1134-7.47806031281995YanandDrake1589-7.47806032192008Yanetal.9557-7.478060323892102009PuchalskiandPachucki13944-7.4780603239095112010PuchalskiandPachucki30632-7.47806032391009713結(jié)論：鋰原子薛定諤方程的精確求解難度很大，進(jìn)展緩慢！第十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二在實(shí)驗(yàn)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論計(jì)算提出了進(jìn)一步的要求[3]Z.C.YanandG.W.F.Drake,Phys.Rev.A66,042504(2002).[4]K.C.Brogetal.,Phys.Rev.153,91(1967).[5]W.Scherfetal.,Z.Phys.D:At.andMol.Clusters36,31(1996).[6]G.A.Noble,Phys.Rev.A74,012502(2006).[7]H.Orthetal.,Z.Phys.A273,221(1975)中性鋰原子2P態(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)物理量實(shí)驗(yàn)值(MHz)所用實(shí)驗(yàn)技術(shù)理論計(jì)算值[3](MHz)6Li2PFS7Li2PFS10052.76±0.2210051.62±0.2010052.964±0.05010053.24±0.2210053.184±0.05810053.4±0.210053.119±0.058LC[4]LAB[5]LABEO[6]LC[4]ODR[7]LAB[5]LABEO[6]10050.846±0.01210051.214±0.012第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.基本積分在計(jì)算哈密頓矩陣元時(shí)，所有的積分都可以化為下面的形式

第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

PRA2011,2013第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二AtomsinstrongmagneticfieldsPartII第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二MotivationsDiscoveryofhugemagneticfieldsinthevicinityofwhitedwarfstars(B=102~105T)andneutronstars(B=107~109T).(Kempetal.1970;Angel1978;Angeletal.1981;Trümperetal.1977;Trümperetal.1978)Rapidlytime-variablemagneticfieldswithpeakvaluesupto1011Tinheavy-ioncollision(RafelskiandMüller1976)第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二Exitonswithsmalleffectivemassesandlargedielectricconstantsinsemiconductors(R.J.ElliottandR.Louden,1960).Generalproblemsforatomsunderconditionswhichcanneverberealizedinterrestriallaboratory.第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二StrengthofmagneticfieldsWeakfields:fields<<CoulombpotentialIntermediatefields:field~CoulombpotentialStrongfields:field>>CoulombpotentialTwomethodtoobtainstrongfields.(1)verystrongfieldsforlowexcitedstates;(2)weakfieldsforRydbergstates.第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二太陽(yáng)10-4---10-3T實(shí)驗(yàn)室：45T第二十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二白矮星102--105

T

中子星107--109

T

當(dāng)外場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)到洛侖茲力足以與庫(kù)侖力相比較甚至更高時(shí)，會(huì)對(duì)原子的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生根本的影響。研究體系在強(qiáng)場(chǎng)下的性質(zhì)，成為理論研究中的一個(gè)較新領(lǐng)域。第二十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二柱坐標(biāo)下CI方法計(jì)算得到的磁場(chǎng)下He原子的數(shù)據(jù)，證實(shí)了磁白矮星GD229光譜中的吸收邊來(lái)自于強(qiáng)磁場(chǎng)下（約50000T）的He原子。主要應(yīng)用：

研究白矮星、中子星光譜其它應(yīng)用：

Tokmak核聚變，激光同位素分離，

紅外和微波輻射的高靈敏探測(cè)等領(lǐng)域也要用到原子外場(chǎng)效應(yīng)的研究成果。第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二DevelopmentalMethodsAngularwavefunctionsareexpandedbyusingB-splinetypefunctions.(1999,PRA)Modifiedfreezingfull-coremethod(2000,PRA)Fullcorepluscorrelationmethod(2001,PRA)Linear-least-squares-fittingmethod(2001,PRA)Spetralmethod(2002,PRA)FCPCincylindricalcoordinate(2007,PRA)Gauss-Hylleraas(2008,2009,PRA)第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二WorksSolvetheproblemofdouble-electronatomicsystemsinintermediatemagneticfields.(PRA,1999,2009,Qiao)Aboutenergiesandwavefunctionsofthree-electronatomicsysteminstrongmagneticfields,themostaccurateresultweregivenatthattimeourpaperwaspublished.(PRA,2000,2007,2008,2010,2012，Qiao)第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二HeE0=2.903715a.u.PRA2009,WangandQiao第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二強(qiáng)激光場(chǎng)與原子的相互作用PartIII第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二強(qiáng)激光場(chǎng)中的重要現(xiàn)象多光子躍遷與多光子電離高次諧波的產(chǎn)生隧道電離與閾上電離電離抑制第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

n個(gè)?ω?ω’=n?ω第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二強(qiáng)激光場(chǎng)研究概況1950年，HughesandGrabner:首次觀察到射頻范圍內(nèi)的多光子躍遷。1961年，KaiserandGarret:首次觀察到晶體中的多光子吸收。1979年，Agostini:研究惰性氣體的自由-自由躍遷。目前，高次諧波，隧道電離以及電離抑制等現(xiàn)象都已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)上觀察到了。第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯