原子物理前沿介绍

原子物理前沿介绍第一页，共四十三页，编辑于2023年，星期二现在的物理学处于什么样的时代？物理学最关心的问题？（两暗一黑三起源）物理学将来的突破口在哪里？（精密与极端）第二页，共四十三页，编辑于2023年，星期二原子精密谱PartI第三页，共四十三页，编辑于2023年，星期二精密谱的理论背景及研究现状问题：对于少电子原子体系，如氦，锂等，如何把它们的物理能级精确地计算出来？（考虑相对论效应，QED效应等）目前最有效的方法：

1）求解非相对论薛定谔方程，得到足够精确的和。

2）用量子电动力学或量子场论的方法导出各级相对论修正算符和QED修正算符。

3）计算修正算符的期望值以及原子核的有限质量和有限尺寸带来的修正，最终得到物理能级。原子能级可以写为第四页，共四十三页，编辑于2023年，星期二做精密谱物理的意义(考虑到理论计算和实验测量都能很高的精度)：1）验证QED理论（特别是束缚态QED），检验物理定律的自洽性。2）确定某些物理常数，如，

2010年，Smicilas和Shiner[1]利用氦原子的23P0到23P2精细结构间的跃迁并结合Pachucki[2]等人的最新理论计算，定出精细结构常数为其中，（64）是实验的不确定度，（4）理论计算的不确定度，（260）是没有计算的其他项带来的不确定度。3)验证原子核模型

锂原子的特性：含有三个电子，可以用来检验或验证量子力学关于多体问题的一些结论，比如三个角动量的耦合理论等。氦原子的特性：最简单的多体。[1]

M.SmiciklasandD.Shiner,Phys.Rev.Lett.105,123001(2010)[2]K.PachuckiandY.A.Yerokhin,Phys.Rev.Lett.104,070103(2010)第五页，共四十三页，编辑于2023年，星期二“精密”一词的含义计算误差（数学）：

高阶项误差（物理）：要求：两种误差是可控的第六页，共四十三页，编辑于2023年，星期二原子光谱实验值原子核参数与核物理模型无关

验证各种核物理模型理论与实验结合原子与原子核交叉ee3He第七页，共四十三页，编辑于2023年，星期二QED理论和基本物理常数理论表达式包含基本物理常数确定物理常数是精密谱物理的一部分QED的精密验证涉及到多学科:原子物理,核物理(hyperfine,Rnuc,nuclearpol.),高能物理,激光光谱,频标,量子场论,计算物理对简单体系的研究,如H,He,将仍然是取之不尽的知识来源精密谱水平:衡量原子物理整体水平的指标第八页，共四十三页，编辑于2023年，星期二氢分子离子H2+,D2+,HD+:Schiller’s小组用Be+交感冷~mK，PhysicalReviewLetters98,173002(2007)验证相对论和量子电动力学，以及分子计算理论高精度定出质量比值，例如me/mp

基本物理常数随时间的变化第九页，共四十三页，编辑于2023年，星期二理论进展：相对论与辐射修正第十页，共四十三页，编辑于2023年，星期二6,7Li+精密光谱—2P态精细与超精细结构Naturallinewidth3.7MHz

束缚态QED理论检验

精细结构常数确定

核电荷半径确定

2S-2P:

可见光、自然线宽窄

23S1亚稳态寿命~50s第十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期二Li+离子精密光谱：York大学离子束实验:

离子运动效应谱线线形不对称

谱线中心频率精确确定困难

第十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期二Li+离子精密光谱

理论与实验在MHz

到亚MHz

量级范围内符合高阶QED效应需要精度提高2-3个量级(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)第十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期二Hylleraas坐标下关于氦原子的变分计算成果结论：氦原子薛定谔方程的精确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第十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期二Hylleraas坐标下关于锂原子的变分计算成果YearAuthorsNEnergyn1963Burke13-7.4779531968Larsson60-7.47802551986Kingetal.352-7.47805851991McKenzieandDrake1134-7.47806031281995YanandDrake1589-7.47806032192008Yanetal.9557-7.478060323892102009PuchalskiandPachucki13944-7.4780603239095112010PuchalskiandPachucki30632-7.47806032391009713结论：锂原子薛定谔方程的精确求解难度很大，进展缓慢！第十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期二在实验上，实验结果对理论计算提出了进一步的要求[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)中性锂原子2P态的精细结构物理量实验值(MHz)所用实验技术理论计算值[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第十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期二第十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期二3.基本积分在计算哈密顿矩阵元时，所有的积分都可以化为下面的形式

第十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

PRA2011,2013第十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期二AtomsinstrongmagneticfieldsPartII第二十页，共四十三页，编辑于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)第二十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期二Exitonswithsmalleffectivemassesandlargedielectricconstantsinsemiconductors(R.J.ElliottandR.Louden,1960).Generalproblemsforatomsunderconditionswhichcanneverberealizedinterrestriallaboratory.第二十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期二StrengthofmagneticfieldsWeakfields:fields<<CoulombpotentialIntermediatefields:field~CoulombpotentialStrongfields:field>>CoulombpotentialTwomethodtoobtainstrongfields.(1)verystrongfieldsforlowexcitedstates;(2)weakfieldsforRydbergstates.第二十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期二太阳10-4---10-3T实验室：45T第二十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期二白矮星102--105

T

中子星107--109

T

当外场强度强到洛仑兹力足以与库仑力相比较甚至更高时，会对原子的电子结构产生根本的影响。研究体系在强场下的性质，成为理论研究中的一个较新领域。第二十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期二柱坐标下CI方法计算得到的磁场下He原子的数据，证实了磁白矮星GD229光谱中的吸收边来自于强磁场下（约50000T）的He原子。主要应用：

研究白矮星、中子星光谱其它应用：

Tokmak核聚变，激光同位素分离，

红外和微波辐射的高灵敏探测等领域也要用到原子外场效应的研究成果。第二十六页，共四十三页，编辑于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)第二十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期二WorksSolvetheproblemofdouble-electronatomicsystemsinintermediatemagneticfields.(PRA,1999,2009,Qiao)Aboutenergiesandwavefunctionsofthree-electronatomicsysteminstrongmagneticfields,themostaccurateresultweregivenatthattimeourpaperwaspublished.(PRA,2000,2007,2008,2010,2012，Qiao)第二十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期二HeE0=2.903715a.u.PRA2009,WangandQiao第二十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期二强激光场与原子的相互作用PartIII第三十页，共四十三页，编辑于2023年，星期二强激光场中的重要现象多光子跃迁与多光子电离高次谐波的产生隧道电离与阈上电离电离抑制第三十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

n个ħωħω’=nħω第三十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期二强激光场研究概况1950年，HughesandGrabner:首次观察到射频范围内的多光子跃迁。1961年，KaiserandGarret:首次观察到晶体中的多光子吸收。1979年，Agostini:研究惰性气体的自由-自由跃迁。目前，高次谐波，隧道电离以及电离抑制等现象都已经从实验上观察到了。第三十三页，共四十三页，编辑