Содержание к диссертации
Введение 4
1 Обзор методов расчёта сечений 12
1.1 Структурные ионы и их ПОЛЯ 12
-
Метод самосогласованного поля 13
-
Модель Брандта Китагавы 17
-
Поля быстрых структурных ионов 20
-
Приближение внезапных возмущений 27
-
Метод виртуальных фотонов 32
-
Ультракороткие импульсы 37
-
Приближения эйконала и его модификации 40
-
Неупругие процессы при столкновениях
со структурными ионами 44
1.7 Приближённые релятивистские
волновые функции 50
2 Сечения ионизации квазирелятивистских атомов 59
-
Форм-фактор 61
-
Сшивка с теорией возмущений 65
-
Результаты 68
3 Электронные переходы при взаимодействии атома
с ультракоротким импульсом электромагнитного поля 72
-
Амплитуда перехода в приближении внезапных возмущений 72
-
Вероятности переходов 77
3.3 Результаты 79
4 Рождение пар при взаимодействии атома с ультракоротким
импульсом электромагнитного поля 83
-
Форм-фактор 84
-
Результаты 89
Заключение 91
Литература 93
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Во многих экспериментах, проводимых на современных ускорителях тяжёлых ионов, используются частично ободранные структурные ионы высоких зарядов и энергий, состоящие из ядра иона и некоторого количества связанных электронов, частично экранирующих заряд ядра и образующих электронную «шубу» иона. При этом часто в качестве мишеней используются тяжёлые атомы, содержащие электроны, движущиеся с релятивистскими скоростями, т. е. атомы с большими зарядами ядер. В таких случаях процесс столкновения характеризуется тремя «релятивизмами», которые необходимо учитывать при расчётах: релятивистская скорость движения снаряда, релятивистская скорость движения электронов структурного иона и релятивистское движение электронов мишени. Кроме того, поля создаваемые ионами высоких зарядов велики и не могут быть учтены по теории возмущений ни при каких энергиях столкновения. Большинство же используемых в настоящее время методик пригодно лишь для расчётов взаимодействия структурных ионов с лёгкими (нерелятивистскими) атомами, тогда как в тяжёлых атомах необходимо учитывать релятивистский характер движения атомных электронов, а также чисто релятивистские эффекты, такие как рождение электрон позитронных пар. Данная работа посвящена теоретическому исследованию столкновений структурных релятивистских ионов с тяжёлыми атомами, при этом учитываются релятивистские эффекты не только налетающих структурных ионов, но также и атомов-мишеней.
Целью работы является исследование влияния релятивистских эффектов атомов-мишеней на характеристики (вероятности и сечения) процессов столкновения релятивистских структурных ионов с атомами, а также развитие методов, пригодных для описания взаимодействия тяжёлых атомов с ультракороткими электромагнитными импульсами различного происхождения.
Научная новизна работы прежде всего определяется тем, что большинство предлагаемых расчётов было выполнено на основе оригинальных схем, разработанных научным руководителем профессором В. И. Матвеевым и автором диссертации для описания элементарных процессов, интенсивно исследуемых в настоящее время на ускорителях тяжёлых ионов больших энергий и в физике ультракоротких импульсов, а также тем, что ряд расчётов был выполнен впервые:
Впервые на основе релятивистского обобщения приближения эйконала и метода сшивки получены аналитические выражения для расчёта полных и дифференциальных сечений ионизации тяжёлых водородо-подобных атомов релятивистскими структурными ионами.
Произведён численный расчёт поправок, определяющих степень влияния релятивистских эффектов мишени. Показано, что учёт релятивистских эффектов в тяжёлой мишени приводит к заметным изменениям соответствующих сечений по сравнению с нерелятивистским описанием мишени.
Впервые на основе релятивистского обобщения приближения внезапных возмущений для решения уравнения Дирака разработана единая методика расчёта вероятностей и сечений электронных переходов при взаимодействии тяжёлых атомов с пространственно неоднородными ультракороткими электромагнитными импульсами различного происхождения.
Получены аналитические выражения для расчёта вероятностей и сечений электронных переходов (возбуждения, ионизации, рождения свободно связанных и свободно свободных электрон-позитронных пар) при взаимодействии тяжёлых атомов с пространственно неоднородным ультракоротким импульсом электромагнитного ноля.
Рассчитаны вероятности ионизации и вероятности остаться в основном состоянии для тяжёлого (релятивистского) водородоподобного атома при его взаимодействии с ультракоротким импульсом электромагнитного поля.
Рассчитаны вероятности рождения свободно связанных электрон-иози-тронных пар при взаимодействии тяжёлого атома с ультракоротким импульсом электромагнитного поля.
Достоверность и научная обоснованность полученных результатов и выводов обеспечивается адекватным применением аппарата квантовой механики и математической физики, надёжностью и тщательным тестированием применяемых алгоритмов, устойчивостью разработанных программ, а также сравнением с результатами расчётов других авторов и экспериментами.
Научная и практическая ценность работы. Столкновительные эксперименты с участием многозарядных ионов представляют собой по сути дела пока единственную возможность изучения поведения атомов в сверхсильных электромагнитных полях. При этом существенную роль играет релятивистский характер движения участвующих в столкновениях частиц. В данной работе развиты ненертурбативные методы расчёта сечений и вероятностей электронных переходов, происходящих при взаимодействии тяжёлых атомов с ультракороткими импульсами электромагнитного поля, которое может иметь различное происхождение, в том числе может быть нолем релятивистского структурного иона. При этом естественным образом учитываются релятивистские эффекты не только налетающих структурных ионов, но также и атомов-мишеней.
При достижимых в настоящее время на ускорителях тяжёлых частиц значениях энергии вполне возможно экспериментальное наблюдение рассмотренных в диссертации процессов. Полученные результаты могут най- ти практическое применение в столкноиительных экспериментах на ускорителях тяжёлых ионов, лазерных технологиях, физике ультракоротких импульсов.
Основные положения, ныносимые на защиту:
Аналитические выражения для сечений ионизации тяжёлых водородо-иодобных атомов, учитывающие релятивистский характер движения электронов в атоме.
Результаты расчётов поправок, обусловленных релятивистскими эффектами и атоме и определяющих степень влияния релятивистских эффектов на величину сечений ионизации. Вывод о необходимости учёта релятивистских эффектов в тяжёлых атомах при столкновении их с релятивистскими структурными ионами.
Методика расчёта вероятностей и сечений электронных переходов при взаимодействии тяжёлых атомов с ультракороткими импульсами электромагнитного поля различного происхождения.
Аналитические выражения для расчётов вероятностей электронных переходов, имеющие стандартный нерелятивистский предел.
Результаты численных расчётов вероятности ионизации и вероятности остаться в основном состоянии для тяжёлого водородоподобного атома при его взаимодействии с ультракоротким импульсом электромагнитного поля. Вывод о необходимости учёта для тяжёлых атомов релятивистского характера движения атомных электронов. Результаты численных расчётов зависимости вероятности ионизации от величины прицельного параметра при столкновении релятивистского структурного иона с тяжёлым водородоподобным атомом.
Результаты численных расчётов вероятности рождения свободно-связанных электрон позитронных пар при взаимодействии тяжёлого иона с ультракоротким импульсом электромагнитного поля. Результаты численных расчётов зависимости вероятности рождения свободно-связан- ных электрон позитроппых пар от величины прицельного параметра при столкновении релятивистского структурного иона с тяжёлым ионом.
Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 6 работ в рецензируемых журналах из списка ВАК |1 6]. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на семинаре кафедры физики атомного ядра и квантовой теории столкновений НИИЯФ МГУ (г. Москва), семинарах лаборатории теоретической физики Поморского государственного университета (г. Архангельск), на семинаре кафедры прикладной математики АГТУ (г. Архангельск), а также на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ) [7 9] и международных конференциях «Ломоносов» [10, 11] и International Conference on Photonic Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC) [12].
Работа выполнялась в рамках грантов INTAS «GSI — INTAS Call 2003» (№ 03-54-4294 - «Electromagnetic processes in the peripheral collisions of relativistic and ultrarelativistic heavy ions»), РФФИ (№ 04-02-16177-a — «Взаимодействие атомов и структурных ионов с ультракороткими импульсами электромагнитного поля») и была поддержана стипендией Президента РФ.
Список публикаций по материалам диссертации [1] Матвеев, В. И. Ионизация К-оболочки квазирелятивистского водоро-доподобного атома при столкновении с релятивистским структурным высокозарядным ионом / В. И. Матвеев, Е. С. Гусаревич, И. Н. Па-шев // Письма в Журнал технической физики. — 2003. - Т. 20, № 18. -- С. 29-36. [2] Матвеев, В. И. Взаимодействие водородоподобного атома с ультракоротким импульсом электромагнитного поля / В. И. Матвеев, И. Н. Па-шев // Известия вузов. Физика. 2004. Т. 47, № 7. — С. 47-50. [3] Матвеев, В. И. Ионизация и рождение пар при взаимодействии атома с ультракоротким импульсом электромагнитного поля / В. И. Матвеев, Е. С. Гусаревич, И. II. Пашев // Вестник Поморского университета. Серия «Естественные и точные науки». 2004. — Т. 2. [4] Матвеев, В. И. Электронные переходы при взаимодействии тяжёлого атома с ультракоротким импульсом электромагнитного ноля / В. И. Матвеев, И. Н. Пашев // Вестник Поморского университета. Серия «Естественные и точные науки». 2004. — Т. 1. — С. 101-107. [5j Матвеев, В. И. Электронные переходы при взаимодействии тяжёлого атома с ультракоротким импульсом электромагнитного ноля / В. И. Матвеев, И. Н. Пашев // Журнал технической физики. — 2004. — Т. 74, № 12. С. 21 25. [6] Матвеев, В. И. Неупругие процессы при взаимодействии атома с ультракоротким импульсом электромагнитного ноля / В. И. Матвеев, Е. С. Гусаревич, И. Н. Пашев // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2005. - Т. 127, № 5. С. 1-8. [7j Пашев, И. Н. Ионизация К-оболочки квазирелятивистского водородо-подобного атома при столкновении с релятивистским структурным высокозарядным ионом / И. Н. Пашев, Е. С. Гусаревич // 9-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-9). Сборник тезисов. Т. 1. г. Красноярск: 28 марта -3 апреля 2003. С. G9 70. [8] Пашев, И. Н. Образование К-вакансий и свободно-связанных электрон- позитронных пар при взаимодействии атома с ультракоротким импуль сом электромагнитного поля / И. Н. Пашев // 10-я Всероссийская науч ная конференция студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-10). Сборник тезисов. Т. 1. - г. Москва: 1 7 апреля 2004. — С. 79-81. [9J Пашев, И. Н. Рождение пар и процесс ионизации при столкновениях тяжёлых релятивистских ионов / И. Н. Пашев // 11-я Всерос- сийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-11). Сборник тезисов. Т. 1. -- г. Екатеринбург: 24-31 марта 2005. С. 55 56. [10] Пашев, И. Н. Ионизация атома и рождение свободно-связанных пар при взаимодействии с ультракоротким импульсом электромагнитного ноля / И. Н. Пашев // 11-я Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам — «Ломоносов». Секция «Физика». Сборник тезисов, г. Москва: 12-15 апреля
2004. С. 85 8G. [11] Пашев, И. Н. Электронные переходы при взаимодействии тяжёлого атома с ультракоротким импульсом электромагнитного ноля / И. Н. Пашев // 12-я Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам — «Ломоносов». Секция «Физика». Сборник тезисов. Т. 2. г. Москва: 12-16 апреля
2005. С. ПО 112. [12j Pashev, I. N. Electron transitions as a result of interaction between a heavy ion and an ultrashort electromagnetic pulse / I. N. Pashev, V. I. Matveev If 24th International Conference on Photonic Electronic and Atomic Collisions ICPEAC. Book of abstracts. Rosario, Argentina: July 20 26, 2005. P. Th()30. Личный вклад автора. Научным руководителем была выбрана тема исследования, разработаны непертурбативные методы описания взаимодействия атомов с релятивистскими структурными ионами и ультракороткими электромагнитными импульсами различного происхождения. Автором диссертации в рамках предложенных методов самостоятельно были исследованы процессы ионизации тяжёлых атомов и рождения электрон-позитрон-ных пар, были получены выражения для расчёта вероятностей и сечений электронных переходов, происходящих при столкновениях тяжёлых атомов с релятивистскими структурными ионами, учитывающие релятивистский характер движения как иона, так и электронов атома мишени. Автор выполнил численный расчёт сечений и вероятностей ионизации тяжёлых водородоподобных атомов, рождения свободно связанных электрон-иози-тронных пар, а также произвёл анализ полученных результатов. Автором были проанализированы публикации по теме исследования, самостоятельно разработаны и отлажены алгоритмы и программы, проведены численные расчёты.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения и содержит 100 страниц, 5 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 85 наименований.
