强电、磁场效应中的氢和类氢原子.doc

强电、磁场效应中的氢及类氢原子 强电、磁场效应是指外加的静电场、静磁场和交变电磁场的场强大到已不能作为微扰时对原子分子体系的物理和化学性质的影响。实验表明髙激发态里德伯原子的能级特性与外场异常敏感而且复杂。而理论研究也很困难，在弱外场下，可用微扰法求解薛定谔方程计算能级的劈裂、移动和展宽，得到与实验一致的结果。强外场下就不能用微扰法，需要严格求解含外场的薛定谔方程，这变得很困难。这种困难主要在于外场的静电力、洛伦兹力和核的库仑力具有各自不同的对称性。大多数理论计算仍集中在氢原子，或以氢原子为模型的适当修正，如碱金属原子。由于在均匀外电场中的哈密顿量在抛物坐标中变量是可分离的，相对计算容易一些。 本文简单的记述国内关于强电、磁场中氢以及类氢原子的部分研究。 强电场中的氢及类氢原子 高激发态里德伯原子在电场下行为主要有电离和斯塔克效应这两方面的情况。由于氢原子和类氢离子基态s电子波函数是球对称的它的点和分布中心和原子核是重合的。可以证明：任意一个具有确定角动量量子数l态的固有电偶极矩也为零。但是每一个n≠1的激发态，由于对l是简并的，不同l态线型叠加的结果使固有电偶极矩不为零。对其他多电子原子，如碱金属原子，由于轨道贯穿和极化效应，使能级对l的简并破坏，它们的固有电偶极矩也为零。在均匀电场作用下，原子被计划，电子云中心不再与核重合，原子还能产生电偶极矩。除了原子具有的固有电偶极矩d0之外，外场诱导的电偶极矩d1正比于场强E。原子具有的总电偶极矩d= d0+ d1，在外电场强度E作用下产生的能级分裂为?Ee=-d*E，这就是斯塔克效应。 关于类氢原子在强电场中的电离[1]，前人有过研究。方法是分离变量，即恒电场下类氢原子的薛定谔方程在旋转抛物座标下形式上分离变量，得到如下联立常微分方程： 联立条件为。其中，E为能量，Z为原子序，为电场强度，使用原子条件。零边界条件为，。在方向，；在方向远端渐进解包含出射波和入射波振幅为零。利用数值方法求解微分方程，可以得出基态氢原子的共振态解。 至于斯塔克效应，上世纪90年代中科院的一些学者曾用热离子泡对铯原子在强电场中特性进行了研究[2]。他们的实验装置如图示： 其中两台连续波染料激光的输出线宽都为1-2MHz ,偏振面均设置为平行于电场方向激光1以DCM与5 % D698相混合作为工作染料，波长固定在从62S1/2,F = 4,向52D5/2 ，F = 2,3,4,5,6,|Ml|= 1/2,3/2(△F = 0,士1,士2;△Ml =士1) 态作电四极二激发。以R6G为工作染料的激光2从52 D5/2向|Ml|= 1/2,3/2,F=1,2,3,4，5,6,7 (△Ml =0,△F=0,士1)的Rydberg态作电偶极激发。本实验中双室分别控温在390和520K相应艳原子密度约为1019 / m3。从热离子二极管输出的信号经锁相放大器(SR810)处理后由记录仪记录,FP标准具的输出信号作为标尺也同时记录。两激光都分出光束对准波长计(Barleigh WA20)，挡住其中一束就可方便地测量另一束光的波长。实验中激光1的功率控制在30mW左右，激光2的功率衰减到低于20mW。 该光谱方法通过“速度选择激发”原理消除Doppler增宽的影响设激光束平行x方向,固定激光1的波长作62S1/2→52Dj几四极激发。被激发原子在x方向的运动Vx均满足。因此，当扫描激光2波长从52Dj向Rydberg态激发所有被激发到Rydberg态的原子具有相同Vx,因而有相同的Doppler频移,消除Doppler增宽的影响。 该激发过程的初态为62S1/2，其超精细态(F=3,4)的能级裂距达9.2GHz，因而可对其中之一作选择激发Rydberg态的超精细能级分裂可忽略。然而,中间态52Dj的超精细裂距却对实验光谱有影响。图2所示为实验中所有()超精细态之间的跃迁过程。52Dj几超精细能级裂距在光谱中表现出的大小还与两激光的波长及传播方向的组合有关。设两波长为fl ，f2，如同向传播，谱线裂距将按(fl +f2)/ fl 因子扩宽，反向传播则按|(fl-f2)|/ fl收缩。实验结果表明: 对同向传播52Dj的超精细裂距在谱中可分辨，而逆向传播则不能充分分辨。 实验中采用逆向传播并以52D5/2为中间态主要基于如下考虑：同向传播52Dj几态超精细谱线可分辨,虽谱线线宽较窄,但谱线数大大丰富,在研究Stark多重态时将出现大量谱线重叠，对本研究不利。以逆向传播各超精细谱线间隔以|(fl-f2)|/ fl缩小而迭加成一条包络线，虽线宽较宽，但大大简化了实验谱线。取52D5/2为中间态，其超精细能级裂距较52D3/2小，因而实验谱线线宽窄些。 图3 (a)为实验记录的典型光谱，图3(b)是我们用对角能量矩阵的方法。对图3