Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Ридберговские состояния атомов и молекул являются объектом активных исследований как теоретиков, так и экспериментаторов, продолжающихся уже в течение нескольких десятков лет. С точки зрения теоретической физики эти состояния весьма интересны, поскольку позволяют понять и до конца рассчитать многие важные процессы, возникающие при взаимодействии атомов и молекул с внешними полями, не осложненные многочастичными эффектами, характерными для основных и низ-колежаших состояний этих систем. Именно по этой причине целый ряд теоретических результатов, полученных в рамках упрощенных, модельных представлений об атомах и молекулах задолго до "ридберговской эпохи", оказались применимыми для ридберговскнх состояний после того, как эти состояния стали исследоваться в лабораторных условиях.
На начальном этапе интерес к ридберговским состояниям стимулировался, в основном, астрофизическими приложениями. Именно в астрофизических условиях, в силу малой плотности среды, эти состояния возникают и живут, испытывая на себе воздействие радиации и квазнста-тнческих внешних полей. В лабораториях подобные состояния научились создавать и регистрировать сравнительно недавно, что и привело к бурному развитию этой области атомной и молекулярной физики. Следует особо отметить, что высокие ридберговские состояния, вплоть до v ~ 600, активно исследуются в последние годы методами ZEKE-спектроскопии [1, 2].
Важная спектроскопическая информация может быть получена при изучении возмущений ридберговскнх состояний атомов и молекул. Относительная простота соответствующих систем позволяет аналитически описать основные закономерности этих возмущений. Одним из наиболее важных типов подобных возмущений является взаимодействие ридбер-говского электрона с высшими мультипольними моментами остова. Анализ этого взаимодействия позволяет извлечь из спектроскопических данных информацию о мультипольних моментах положительных атомных
ионов. Взаимодействие с квадрупольным моментом остова было рассмотрено в работе [3]. Однако в этой работе не была учтена возможность резонансного смешивания ридберговскпх состояний. В атомах такой резонанс возможен, когда расстояние между ридберговскими уровнями с различными значениями главного квантового числа п близко по величине к интервалу между компонентами тонкой структуры остова. Анализ резонансного смешивания позволяет получить более точную информацию о мультипольних моментах остова и о свойствах ридберговскпх состоянии.
Помимо вышеупомянутых возмущений, имеющих характер внутриатомных (внутримолекулярных) взаимодействий, весьма актуален учет и других возмущений, возникающих, например, вследствие взаимодействия рпдберговской молекулы (атома) с постоянными внешними электрическими полями, и полями движущихся заряженных частиц (атомов, ионов). Анализ подобных возмущений важен для интерпретации данных ZEKE-спектроскошш. в частности, для объяснения наблюдаемых в экспериментах по ZEKE-спектроскопші аномально больших времен жизни ридберговскпх состояний. Качественное объяснение данного явления влиянием полей движущихся частиц было предложено в работах [4, о], однако количественный расчет явления остается актуальной задачей.
В отличие от атомов, для молекул возникает необходимость учета влияния пространственно-нечетных мультипольних моментов остова, в частности, дипольного момента. Эта проблема была предметом длительной днскусни в литературе (см., например, [6]). Найденные недавно [7, 8] точные решения уравнения Шредингера для электрона в поле точечного заряда и точечного диполя (покоящегося и быстровращающегося) в значительной мере решают эту проблему. Однако, в работе [8] не было учтено наличие сложной структуры у молекулярного остова. Наличие этой структуры проявляется в 0+-удвоении остовных состояний (Q+ есть проекция полного момента остова на его ось), и в различных типах связи остовных моментов (т. н. случаи Хунда). Учет этих факторов принципиален для описания воздействия дипольного момента остова на ридбер-говский электрон. Он приводит к важным следствиям для спектроскопии
олекулярных рпдберговскпх состояний, позволяя извлечь из спектро-сопнческих данных информацию о величине остовиого П+-расщепления, line связи остовных моментов, п о величинах дипольных моментов по-)жптельных молекулярных ионов.
Основная цель диссертации
Основной целью настоящей работы является развитие теории ридбер-JBCKHX состояний в атомах и полярных молекулах. Конкретные задачи, ?шаемые в диссертации, суть следуюшпе:
ана.тнз резонансных возмущений в атомных рпдберговскпх спектрах, связанных с влиянием высших мультиплетных моментов остова:
численное и аналитическое исследование эволюции волновой функции ридберговского электрона под воздействием постоянных электрических полей и полей движущихся заряженных частиц;
оценка эффектов /- и m-перемеіпнвашія рпдберговскпх состояний, вызванных указанными внешними возмущениями, и оценка увеличения эффективного времени жизни рпдберговскпх состояний, вследствие этого перемешивания;
исследование дипольного возмущения молекулярного ридберговского спектра при наличии удвоения состояний остова по знаку проекции момента. Анализ дипольной части квантового дефекта молекулярных рпдберговскпх состояний.
анализ рпдберговскпх спектров полярных молекул для различных случаев связи остовных моментов.
Научная новизна и значимость работы
В диссертации вычислены квантовые дефекты для рпдберговскпх со-гояннй ряда конкретных атомов с учетом резонансного взаимодействия
с квадрупольным моментом остова, зависимость от которого выделена в замкнутой аналитической форме. Это дает возможность определения квадрупольного момента ионного остатка по спектроскопическим данным об электронных ридберговскпх состояниях. Полученные данные обощают и уточняют имеющиеся в литературе расчеты [3].
Впервые получено аналитическое описание динамики заселенности высоковозбужденных ридберговскпх состояний атомов, возникающей при их взаимодействии с электрическим полем медленно движущегося иона. Численно исследована эволюция волновой функции ридберговского электрона при одновременном наложении постоянного электрического поля и поля движущегося иона. Впервые даны квантовомеханнческне количественные оценки для I- и m-перемепшвания ридберговскпх состояний и увеличения их эффективного времени жизни. Произведено сопоставление полученных точных квантовомеханпческих результатов с классической теорией, развитой в-[9], и с приближенными оценками, полученными в работе [1,0].
Рассмотрено влияние вырождения остовных состояний на рпдбергов-ские спектры полярных молекул. В диссертации показано, что дипольний момент остова воздействует на ридберговский электрон лишь в том случае, если расстояние между ридберговскимп уровнями больше или сопоставимо по величине с шириной остовного дублета. Численно исследована зависимость квантового дефекта, порожденного дипольным моментом остова, от главного квантового числа п ридберговского электрона.
Исследован ридберговский спектр полярной молекулы с учетом сложной структуры остова. Произведен учет П+-удвоения остовных состояний и различных схем связи остовных моментов. В диссертации показано, что дипольный момент остова воздействует на ридберговский электрон лишь в том случае, если расстояние между ридберговскимп уровнями больше или сопоставимо по величине с шириной остовного П+-дублета. Численно исследована зависимость квантового дефекта, порожденного дипольным моментом остова, от главного квантового числа п. Произведено обобщение полученных ранее приближенных аналити-
ческих выражении для квантового дефекта рпдберговских состояний с учетом различных схем связи остовных моментов.
Апробация работы и публикации
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в журналах "Phys-ica Scripta", "Journal of Chemical Physics", "Журнал экспериментальной и теоретической физики".
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
3-й семинар по атомной спектроскопии, Черноголовка, 1992;
4-й семинар по атомной спектроскопии, Черноголовка, 1993;
26-th European Group of Atomic Spectroscopy Conferences, Barcelona, Spain, 1994;
CLEO/Europe-EQEC, Amsterdam, 1994;
XV-я Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (КиНО'95), С-Петербург, 1995;
European Research Conference on Very High Resolution Spectroscopy with Photoelectrons, Lenggries, Germany, 1995;
28-th European Group of Atomic Spectroscopy Conferences, Graz, Austria, 1996;
7-th International Conference on Multiphoton processes (ICOMP VII), Garmish-Partenkirchen, 1996;
European Research Conference on Very High Resolution Spectroscopy with Photoelectrons, Emmetten, Switzerland, 1997.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Обший объем диссертации составляет 73 страницы машинописного текста, включ 5 таблиц и 12 рисунков, а также список цитируемой литературы из 103 наименований.
