强磁场中氢原子的能级结构-科学网.PDF

强磁场中氢原子的能级结构∗ 1) 2) 2) 1)† 1)3）†† 曾思良 倪飞飞 何建锋 邹士阳 颜君 1)（北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088） 2)（北京理工大学理学院，北京 100081） 3)（北京大学应用物理与技术研究中心，北京 100087） （ 年 月 日收到； 年 月 日收到修改稿） 本文发展了一套简单高效的非微扰理论方法研究强磁场中的原子 能级结构．作为例子，给出了磁场强度从 0 到 1000 个原子单位，氢 原子基态和低激发态的结合能以及四极矩等重要原子能级结构参 数．结果表明：相对于其它的高精度计算方法，该方法不仅能计算出 高精度的能级位置而且可方便给出精确的电子波函数．此外，该法还 具有很强的普适性，可直接推广到原子与任意方向的交叉电磁场相互 作用的研究． 关键词：强磁场，CWDVR谱方法，氢原子能级结构，四极矩 PACC：3220, 3260, 3270C * 国家自然科学基金（批准号和、国家重点基 础研究发展计划(973)项目(批准号：2005CB724500) 、中国工程物理研究院科学技术发展基 金(批准号：2009B0102011,2009A0102006)资助的课题． 通讯联系人． † E-mail: zou_shiyang@ †† E-mail: yan_jun@ 1 1. 引 言 自量子理论诞生以来，原子在磁场中的能级结构与各种复杂的动力学特性一 直是人们研究和关注的问题[1-3]．考虑磁场效应的原子、分子物理参数在天文和 [4] [5] [6] [7] 天体物理 、原子分子光谱学 、固体物理 和等离子体物理 等诸多领域都具有 非常重要的应用．另一方面，从基础研究的角度来看，均匀磁场中的原子体系由 于电子受到库仑力（具有球对称性）和磁力（具有轴对称性）的共同作用使其成 为一个不可分离变量的系统，从而导致精确求解该体系的Schrödinger方程变 [8] 得非常困难，也使得这一问题极富基础研究的挑战性 ． 实验室中可产生稳恒强磁场的强度一般在几十个特斯拉（T）的水平．对于 这个强度的磁场，传统的微扰理论模型可以对实验观测给出较好的描述．其原因 是：当由于外部磁场导致的抗磁项，远远小于电子-核之间的库仑相互作用项时， 具有轴对称性的抗磁项可以当成微扰处理或者忽略不计，所以传统的微扰理论还 是适用的．但随着磁场强度的增强，抗磁作用与原子中的库仑作用可以相比拟时， 两者均不能单独作为微扰处理，特别是随着二十世纪七十年代的天文观测中发现 2 5 7 9 在白矮星（10 −10 T）和中子星（10 −10 T）上存在着非常强的磁场，发展非 微扰方法同时精确处理中心对称的库仑作用和轴对称的磁场效应成为研究的重 点。 在过去的二十余年中，人们已经发展了包括：finite-element[9], [10] [11] [12-15] Kantorvich ,半经典闭合轨道理论 ，finite basis expansion ，和power series expansion[16，17] 等非微扰方法研究强磁场中的原子能级结构、辐射跃迁 等动力学过程．这些先进的非微扰理论方法不仅被应用于计算用于模拟强磁场天