原子超精细结构 -- 与核物理交叉的物理过程 ---
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原子超精细结构 -- 与核物理交叉的物理过程 ---. 上海交通大学物理系 清华大学 物理系 原子分子纳米科学研究中 心 李家明 （ [email protected] ) 上海交通大学物理楼 1017 电话： 021-54747759 （ [email protected] ) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
原子超精细结构-- 与核物理交叉的物理过程 ---
上海交通大学物理系清华大学 物理系
原子分子纳米科学研究中心
李家明
（ [email protected] ) 上海交通大学物理楼 1017 电话： 021-54747759 （ [email protected] ) 清华大学理科大楼 3318 电话： 010-62788597
● 原子超精细结构；涉及原子核与原子电子的电磁 相互作用。提供原子核相关的物理量，例如： * 核磁矩（尤其是非稳核同位素，以验证核理论与计算） * 核电四极矩（同上，需要在线同位素原子精密光谱测量） * 其他关于核内运动的图像 （希望能推动核物理与原子物理界之间协作）
● 简单回顾原子超精细结构理论
● 举例说明有趣的核内运动的图像
● 讨论；其它可能的核物理与原子物理界之间协作
原子超精细结构( ) ( )
1
( )
( )
| | | |
k khfs
k
k
k
H T M
T
M
F J I J I F J I
������������������������������������������
原子算符
原子核算符原子总角动量 J
核角动量 I
不同的同位素的原子超精细结构能级变化( ) ( )
0
k khfs hfs
k
E h T M
原子的电子结构
2
1
1ˆ 1N N
DCi
i i ji i j
ZH c p c
r r r
RCI 值 a) Drake非相对论值 b)
RCI 值— Drake非相对论值
Drake“ΔJrel”修正值 c)
Breit作用计算值 d)
关联作用的校正 e)
基组 (DF计算 ) -628009.306
-637206.480
9111.058
-22.806
27.995 9161.859
基组 (n≤2) -628135.792 9070.688 13.908 9107.403
基组 (n≤3) -635327.469 1879.011 9.390 1911.207
基组 (n≤4) -636241.184 965.296 8.626 996.728
基组 (n≤5) -636943.085 263.395 7.728 293.930
基组 (n≤6) -637057.152 149.328 7.443 179.577
基组 (n≤7) -637162.690 43.790 7.121 73.717
基组 (n≤8) -637198.221 8.259 6.933 37.998
准完备基组 (n≤9)-637209.757 -3.277 6.849 26.378
基组 (n≤10) -637215.213 -8.733 6.783 20.856
He 原子基态
3/ 2,1/ 2
3/ 2 1/ 2 5/ 2 3/ 2
1/ 2 1/ 2 3/ 2
1 ; (5 5); , (5 5) 10
1 ; ( , , )
( , )
ij i ie Kr P J S U
J channels Kr P e s d d
channels Kr P e s d
Multi-Channel Example: e+Kr+
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
1.361-1.361-4.082
0.000-2.736
Eu
ler
an
gle
s
Energy (eV)
-5.442
0.0
0.2
0.4
0.0
0.2
0.4
p5s 1P
p5d 1P
p5s 3P
p5d 3D
p5d 3P
eig
en
cha
nn
el Q
D
“ 多、快、好、省”
2P3/2 threshold
2 4 60.0
0.4
0.8
0.000 0.2880.122-0.185-0.846
0.2
-3/
2 (m
od 1
)
1/2
55 energy levels from NIST
2P3/2
threshold
-2.736E (eV)
所有能级“一网打尽”，光谱能级数据判断散射相移计算精度
“ 多、快、好、省”
88He: The Most Neutron-Rich He: The Most Neutron-Rich NucleusNucleus
# of neutrons
# of
pro
tons
卢征天 Z.T. Lu
8
Atomic Energy Levels of Helium
23S1
11S0
389 nm
1083 nm
23P0,1,2
19.82 eV
33P0,1,2
He energy level diagram
100 ns
100 ns 1.6 MHz• Single photon kick 0.1 m/s
• Transition rate ~ 4 x 106 /s
• Acceleration ~ 4 x 105 m/s2
Cooling & Trapping at 1083 nm
• Single photon kick 0.3 m/s
• Doppler shift 400 kHz
Spectroscopy at 389 nm
Isotope ShiftMSFS
卢征天 Z.T. Lu
9
Field (Volume) ShiftAA
FS rZe
222 )0(3
2
rE
s
p
V ~ - 1/r
10
Drake, Can. J. Phys (2006);
Pachucki & Sapirstein, J Phys B (2002)
Non-relativistic wave functions fromvariational calculations
Perturbation theory for relativistic corrections, QED,finite nuclear mass and nuclear charge radius
QED terms “cancel” in isotope shift
Atomic Theory of Helium3PJ
3S1
For 23S1 – 33P2 transition @ 389 nm:
6He - 4He : = 43196.207(15) MHz + 1.008 (<r2>He4 - <r2>He6) MHz/fm2
8He - 4He : = 64702.409(74) MHz + 1.008 (<r2>He4 - <r2>He8) MHz/fm2
100 kHz error in IS ~ 1% error in radius
11
6He & 8He RMS Point Proton and Matter Radii
Wang et al., PRL (2004)Mueller et al., PRL (2007)
12
Hadronic Probe: Scattering of 6He & 8He Beams
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
Inte
ract
ion
Rad
ius
(fm
)
876543
Helium Mass Number A
Tanihata et al, Phys Lett (1985)LBNL
Alkhazov et al, Nucl Phys (2002)GSI
Elastic and inelastic collision: He on C, B Elastic collision: He on H, 700 MeV/u
Matter distribution, matter radii
18O9Be
6He12C
6He1H
6He
Halo Nuclei 6He and 8He
Isotope Half-life Spin Isospin Core + Valence
He-6 807 ms 0+ 1 + 2n
He-8 119 ms 0+ 2 + 4n
Borromean RingsBorromean Nucleus
4He
8He
6He
QuantumMonte Carlo calculation
Proton
Neutron
讨论 其它可能的核物理与原子物理界之间协作
（高翔，孙扬，李家明）
原子数据库在研究同核异能态诱发辐射 (γ 激光 ) 中的应用
同质异能态（ Nuclear Isomer ）是一种原子核的亚稳激发态（ Metastable State) ，激发能可达 MeV 量级，平均寿命可以从纳秒量级到 1015 年不等
NEET （ Nuclear Excitation by Electronic Transition ）NEEC （ Nuclear Excitation by Electron Capture ）
需要知道原子核触发能级和原子的能级间跃迁等确切数据；这涉及到海量的原子核和原子数据。
原子物理与核物理交叉方向， 还有天体物理方面（恒星演化）
Z(Pb)=82 Z(Tl)=81