Введение к работе
Актуальность темы. Водородбподобпыё(ВП) атомы были п остаются традиционными объектами теоретических и охспсрішепта-льиых фпопчеекпх исследований. Предельная простота их строения п возможность прецизионного намерения пх харавтерпстпк привели к тому, что й настоящее время ВП атомы являются одними по наиболее хорошо поученных физических объектов. Тем пс менее, даже у таких систем удается обнаружить повые, ранее пе известные свойства.
Так в 1967г. П.Сапдарсом теоретически было показало, что ВП атом в основном 15, ^-состоянии с полным моментом F>i имеет тензорную поляризуемость. Последняя возникает в основном СОСТОЯНИИ благодаря нецентральной части сверхтонкого впаямодействня (СТВ) между плектроном и ядром и отвечает за расщепление магнитных подуровней атома в однородном мсктрпческом поле (аффект Штарка па сверхтопкой структуре). В Щбг.В.Г.Барышевскпм теоретически было покапано, что у ВП атома в lSi/2-состояшіи имеется еще одна фундаментальная константа - значительный по величине (~10"г1см2) олектрпчеекпй квадрупольпый момент. Квадрупольпый момент, также как и тензорная поляризуемость, обусловлен нецентральной частью СТВ и проявляется при взаимодействии атома с неоднородными электрическими полями. В 1987г. И.Б.Хрипловичем вместе с сотрудниками было указало на наличие динамической векторной поляризуемости основного уровня ВП атома, ответственной за расщепление магнитных подуровней в ппркулярпо-полярпзооанном свете.
Однако^ перечисленные теоретические исследования оставили после себя ряд неизученных вопросов. Такі 'например. Хоте статическая тензорная поляризуемость оснопногб уровня В П атома была аналитически вычислена П.Сапдарсом еще в 1907г., к настоящему времен» не был Исследован вопрос о частотной зависимости зт'ой величины в переменном лазерном поле. В работах И.Б.Хрипловича и др. было изучено лишь асимптотическое поведение векторной поляризуемости ВП атома при больших и малых частотах Вопрос же об аналитическом ее поведении во всей области оптических частот оставлен в стороне. Между тем, современное развитие экспериментальных методов лазерной спектроскопии позволяет с высокой степенью точности исследовать яффокт Штарка изолированных атомних 'уровней'(в том числе и уровней сверхтонкой структуры) В СИЛЬНЫХ ПОЛЯХ В СВЯЗИ С зтнм представляется актуальным и важным проведение аналитических
расчетов динамических тензорной и векторной полярпзуемостсн ВП атома по крайней мере для основного 15^2-уросня. Важность таких исследовании дополняется также следующими причинами. Тензорная и векторная поляризуемости, также, как и скалярная поляризуемость, дают вклад и полную поляризуемость основного уровня атома электромагнитным полем. II, хотя эти вклады достаточно малы (~«2 для векторной и ~'>1і/і/ для тензорной поляризуемости, а п /і/ - соответственно, постоянная тонкой структуры и магнитный момент ядра), они могут окапаться существенными на тех частотах, при которых скалярная поляризуемость уровня равна нулю. Кроме того, несмотря на то, что современные компьютерные методы позволяют получить численные значения необходимых атомных параметров практически для всех частот переменного внешнего поля, преимущества аналитического выражения очевидны: оно, например, позволяет "увидеть" функциональное поведение атомного параметра во всем допустимом частотном интервале, установить резонансные области и поведение вблизи резоиаисов, получить различные аналитические асимптотики и т.д..
Представляют интерес также аналитические расчеты статических тензорных полярпзуемостси ВГІ атомов в возбужденных hS^- и нР^-состоянпях (к > 2), поскольку в этих состояниях вся тензорная поляризуемость уровня обусловлена сверхтонким взаимодействием между электроном н ядром. Статические тензорные поляризуемости н отих состояниях могут быть измерены экспериментально в сильных полях.
Из исследовании но квадрупольшшу моменту ВП атома детального рассмотрения требует вопрос о квадрупольном моменте легчайшего ВП атома - позитрония (Рк). Для позитрония имеет место уникальная ситуации. Как известно, свободішіі атом позитрония в вакууме является полностью электронейтральнон системой. Это означает, что, вследствие равенства масс .электрона -и позитрона, а также из-за выполнения законов СР- и T-iiiiDupuauTUocTU в системе "частица античастица'', атом P.s не может иметь мультинольных моментов. Если же позитроний находится а веществе (и частности, и кристалле), то из-за различного хар.атсра взаимодействия электрона и позитрона с окружением, их эффективные массы, вообще говоря, не раины друг другу. 1\нк следствие, а среде ври неравных эффективных массах электрона и позитрона атом позитрония може г иметь ненулевой эффек-
тшшый квадруиольпый момент. Соответственно, пспптротгй, тзк:т:о как мюонпй п водород, будет испытывать па себе влияние неодзюро-дппх Еііутрсішнх электрических полей 7! с'2>сде. Налігше Qps ;' 0 позволяет, таким образом, получать информацию как об зффехтшшых массах электрона н позитрона, так о и* распределении неоднородных инутрикристаллпчеа-'пх полей п кристаллах с пекубпческой решеткой. В этой связи детальное теоретическое рассмотрение (эффективного . квадрунольпого взаимодействия позитрония d кристалла, анализ различных экспериментально наблюдаемы}; проявления тагсого взаимодей-ствня являются весьма актуальной задачей, постольку при отом расширяется область применения нового (сформировавшегося всего 15-20 лет назад) направлення в зкепергшептгшшой фпзпко твердого тела -позитронной спектроскопии твердых тел. С другой стороны, опепери-мептальная регпстранду?. предсказываемых тсорпеи явлении была бы подтдерждеппем того факта, что Рз п Ернсталяе приобретает новую фундаментальную характеристику, отсутствующую у него в вакууме -зяектрпчеекпй кпадрупояшый момент.
Цель работы. Целью настоящей дггесертаяяогптой работы является:
1. Получение аналитических выражений для следующих пнварпан-
тпых атомных параметров осповпого 15|/2-урозпя ВП атома:
для обусловленной СТВ дппампчесяой тензорной поляризуемости;
для обусловленной еппп-орбнтаяьньш расщеплением возбужденных уровней п релятивистской поправші п алектрпчеехпй дппольный момент атома векторной поляризуемости;
-
Анализ частотных зависимостей этих пнварпантных атомных шіраметров о обяастн малых п резонансных частот внешнего электромагнитного поля;
-
Аналитический расчет обусловленных СТВ статических тензорных полярпэуемостей ВП атомов в состояниях с полным момептом электронной оболочки .7=1/2: в nStf2- и «/^-состояниях («>2);
-
Построение теории Образования эффективного квадрупольного момента у атома позитрония в кристалле и исследование влияния аффективного квадрупольного взаимодействия позитрония на сверхтопкую структуру (СТС) его уровней н параметры его аннпгпляцпн в кристалле.
Научная поопоиа работы. В работе получены аналитические выражения ДЛЯ динамических тензорной и векторной поляризуемостеп
«г
основного lSj/2-уроіііія ІЩ атома. Проанализировано ііх поведение в области малых її резонансних частот внешнего олегстромогіштного поля. Показано, что п области малых частот ллйдешшс аналитические вираження сводятся к хорошо известный результатам П.Саидарса и ІЇ.Б.Хрппловпча с сотрудниками. В области ргэоланспых частот оіш, в отличие от выражении для скалярной поляризуемости, являются четными функциями частоты. Указывается, что.'благодари дцлалпчискоіі тензорной поляризуемости вполне' реально экспериментально наблюдать эффект двойного лучепреломлении в поляризованном атомарном водороде.-
Проапалиэпровац механизм образования п выведены аналитические выражения для обусловленных СТВ статических тензорных- поляри-зусмостей tiS^j- н «Рїд-состояшіп (ті > 2) ВП атомов. Получены их зависимости от главного квантового числа.
В рамках модели окситокпого поонтроцпевого состояния малого радиуса построена полуфепомепоіюгігіеская теория образования эффективного квадруполыюго момента у атома Ps d кристалле. Показало, что наличие у позитрония аффективного квадрунолыюго момента и тензорной поляризуемости приводят к анизотропному СТВ мелсду электроном и позитроном ("анизотропный" позитроний).
Проанализирована сверхтонкая структура остшвиого уровня атома позитрония при учете его квадрунолыюго взаимодействия в кристалле. Показано, что в присутствии внешнего магнитного поля квадру-польное расщепление его сверхтонких уровнен является анизотропным и зависит от относительной ориентации магнитного поля и оси симметрии кристаллического поля.
Выполнены расчеты сечения З-у-шпшгиляцпи ортопояптрония в кристалле. Показано, что сеченые и, как следствие, скорость счета рас-падных 7-EBaHTCD допилил осциллировать на частотах квадрунолыюго расщепления сверхтонких уровней позитрония. Угловое распределение аиингнляциоциых фотонов, скорости затухання и частоты осцилляции - анизотропны и зависят от относительней ориентации кристалла п внешнего магнитного ноля. Предложен метод для экспериментального определения знака пффектішшш квадрупольной постоянной "auu-оотрошшго" позитрония.
Выполнен аналитический расчет рагпидиых ширин спиновых уровней "анизотропного" позитрония при произвольной ориентации внешнего магнитного поля относительно ти симметрии кршталлнческо-
го поля. Покапано, что процесс матнптпого тушения позитрония в' кристалле является апизотроппьш, т.е. оавнепт от взадіпіон ориентации кристалла л штешпего магнитного поля. Предсказывается значительная величина анизотропии в полимерах с высокой степенью кристалличности.
Проанализирована оксперіїмсіггальпад ситуация по наблюдению лз-пеппя анизотропии магнитного туїиешія а оцепепа всяіиіша анизотропии для позитрония в кристалле п-кварца.
На оащиту выносятся следугащно осношгьти нологяеппп:'
аналитические выражения для ннвпрпадтшл:: атомных параметров (динамические тензорная п векторная пояярпзусмостп) осповпо-го lSj^-ypoiHia ВП атома, находящегося в переменном внешнем олск-тромагннтном пояс;
аналитические выражения для обусловленных СТВ статических тензорных поляризуемостей iiSi/2- п npj^-состоялюі (їі > 2) ПП атомов; % '..'
нолуфсноысиологнчестсая теория образования сфф'сЕТпвгіого йиад-рупояьпото' момента у атома позитрония п кристалле; '..
результаты анализа кв.адрупольпого расщепления сверхтонких уровней позитрония в кристалле при наличии внешнего магнитного поля;
ппалпз пяпяття обменных п квадруїіо.тшш: взаимодействий на угловое распределение квантов 07-распада ортопозптропня ;
теория явлення алпзотрошш 'магнитного тушения позитрония в кристалле; .
анализ экспериментальной ситуации по наблюдению явления апп-зотроппп магпптпого тушения позитрония в кристалле а-кварца.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации
аиалптпчеекпе выражения для дппампчеекпх тензорной и векторной
поляризуемостей 15і/2*состоянпя, для статических тензорных поляри
зуемостей nSy2- п гіР^-состояшгл ВП атомов могут быть использо
ваны в широком круге проблем атомной фппики, изучающих взаимо
действие атомов с висшшм электромагнитным полем при учете СТС
атомных уровней. "'.'.'
Результаты теоретического анализа эффективного квадрупольного взаимодействия позитрония в кристалле могут послужить отправной точкой для нового цикла экспериментальных работ, направленных па изучение природы позитронпевоводобпых состояний в кристаллах с
цскубіпесЕой решеткой, а таїжс на ппучсітс электрических свойств кристаллов с пемощыо посштропов.
Апробация работы, Основные результаты диссертационной работы докладывались па IV Международном совещании по ддерно-спек-тросконнчеекпм исследованиям сверхтонких взаимодействий (Ужгород, СССР, 26-28' шоіія, 1991), 9-й Международной конференции по аншігнпящш пооитропов (Эомбатхелп, Венгрия, 26-31 августа, 1991), Всесоюзном семинаре "Пошітроішаа аіптгиляцая в твердых телах" (Обнинск, СССР, 10-12 сентября, 1991), 4-й Европейской конференции по атомной и молекулярной фпзпке (Рига, Латвия, 0-10 апреля, 1992), ІХ-Й Международной конференции по сверхтонким взаимодействиям (Осака,- Япония, 17-21 августа, 1992), Мелсдупародной школе по аиппгнлящщ цраитроцов в твердых телах (Варснна, Италия, G-10 июля, 1993), ХІІ-М Международном симпозиуме по ядерному квадру-нольному резонансу (Цюрих, Швейцария, 19-23 июля, 1993), Мелсдупа-родиом рабочем совещании по взаимодействию атоыа с получением (Триест, Италия, 20 толя -10 августа, 1993), V Международном совещании по ядерио-спектроскопнчеекпм исследованиям сверхтонких взаимодействии (Дубна, России, 21-25 сентября, 1993).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 1G работах.
Структура, и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и отключения. Она содержит 150 страниц машинописного текста, в чис:;..' которых 5 страниц с рисунками, 12 страниц списка цитируемой литер;.'.";.:.!, включающего 113 наименовании.
