Диссертация (1145426), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Ýòà ïðîöåäóðà íàçûâàåòñÿ ðåçîíàíñíûì ïðèáëèæåíèåì, îíà ñõåìàòè÷íî ïîêàçàíà íà ðèñóíêå Ðèñ. 2.1.  ðàìêàõ ðåçîíàíñíîãîïðèáëèæåíèÿ ýíåðãèÿ è øèðèíà óðîâíÿ íå çàâèñÿò îò äåòàëåé ïðîöåññà ðàññåÿíèÿ. Ïðè âûõîäå çà ðåçîíàíñíîå ïðèáëèæåíèå, âû÷èñëåíèå ýíåðãèè E èøèðèíû Γ äîëæíî áûòü çàìåíåíî íà âû÷èñëåíèå êîíòóðà ñïåêòðàëüíîé ëèíèè äëÿ êîíêðåòíîãî ïðîöåññà ðàññåÿíèÿ.21ÊÝÄ òåîðèÿ êîíòóðà ëèíèè òàêæå ðàññìàòðèâàëàñü â ðàáîòàõ [1214] èïðèìåíÿëàñü äëÿ èçó÷åíèÿ ïåðåêðûâàþùèõñÿ ðåçîíàíñîâ â äâóõýëåêòðîííûõ ìíîãîçàðÿäíûõ èîíàõ â [15, 16].
Äðóãèå ïðèëîæåíèÿ òåîðèè êîòóðà ëèíèè áûëè ñäåëàíû ïðè èçó÷åíèè íåðåçîíàíñíûõ ïîïðàâîê â ìíîãîçàðÿäíûõèîíàõ [17, 18] è â àòîìå âîäîðîäà [1925]. Îáû÷íî íåðåçîíàíñíûå ïîïðàâêèî÷åíü ìàëû è ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû ìåíüøå òî÷íîñòè ýêñïåðèìåíòà. Îäíàêî,íåäàâíåå èçìåðåíèå ýíåðãèè ïåðåõîäà 2 3S − 2 3P â 4 He ïîêàçàëî, ÷òî íåðåçîíàíñíûå ïîïðàâêè íà÷èíàþò âëèÿòü íà òî÷íîñòü ýêñïåðèìåíòà [26].22Ãëàâà 2ÝíåðãèèÄëÿ îïèñàíèÿ óðîâíåé ýíåðãèè ýëåêòðîííîé êîíôèãóðàöèè ìû ðàññìîòðèìïðîöåññ ðàññåÿíèÿ ôîòîíà íà èîíå (àòîìå)ω0ωa0 −→ a −→ a0 ,(2.1)ãäå èîí, èçíà÷àëüíî íàõîäÿùèéñÿ â îñíîâíîì ñîñòîÿíèè (a0 ), ïîãëîùàåò ôîòîí ω , âîçáóæäàåòñÿ â âîçáóæä¼ííîå ñîñòîÿíèå a è çàòåì èçëó÷àÿ ôîòîí,ðàñïàäàåòñÿ â îñíîâíîå ñîñòîÿíèå a0 .
Çäåñü ìû ðàññìàòðèâàåì ïðîñòåéøèéïðîöåññ ðåçîíàíñíîãî ðàññåÿíèÿ (ω = ω 0 ). Àìïëèòóäà (èëè âåðîÿòíîñòü) ýòîãî ïðîöåññà ðàññåÿíèÿ êàê ôóíêöèÿ ÷àñòîòû ôîòîíà (ω ) èìååò ìàêñèìóìû, êîòîðûå îïèñûâàþò ðåçîíàíñû, îòâå÷àþùèå ñîîòâåòñòâóþùèì óðîâíÿìýíåðãèè ýëåêòðîííîé êîíôèãóðàöèè Ðèñ. 2.1. Ñòàâÿ ïåðåä ñîáîé öåëü îïèñûâàòü óðîâåíü ýíåðãèè òîëüêî äâóìÿ ïàðàìåòðàìè, ìû îïðåäåëÿåì ýíåðãèþ èøèðèíó óðîâíÿ ÷åðåç ïîçèöèþ è øèðèíó ñîîòâåòñòâóþùåãî ðåçîíàíñà.
 íàñòîÿùåé äèññåðòàöèè ìû áóäåì ðàññìàòðèâàòü òîëüêî óðîâíè ýíåðãèè, äëÿêîòîðûõ ïîíÿòèå ýíåðãèè è øèðèíû èìååò ñìûñë. ïðèíöèïå, ýíåðãèÿ óðîâíÿ ìîæåò áûòü ðàññìîòðåíà â ïðîèçâîëüíîìïðîöåññå ðàññåÿíèÿ, ò.å. ìû ìîæåì ðàññìàòðèâàòü ðàçëè÷íûå ìíîãîôîòîííûå ïåðåõîäû èëè ðàññåÿíèå äðóãèõ ÷àñòèö.  îáùåì ñëó÷àå àìïëèòóäà ïåðåõîäà ÿâëÿåòñÿ ñëîæíîé ôóíêöèåé, çàâèñÿùåé îò ïðèðîäû è êîíêðåòíûõ23Ðèñ. 2.1: Ïðèìåíåíèå ðåçîíàíñíîãî ïðèáëèæåíèÿ â ìåòîäå êîíòóðà ëèíèè.
Ýëåêòðîííàÿêîíôèãóðàöèÿ, íàõîäÿùàÿñÿ â ñâÿçàííîì ñîñòîÿíèè A ïîãëîùàåò ôîòîí ñ ÷àñòîòîé ωè ïåðåõîäèò â âîçáóæä¼ííîå ñîñòîÿíèå N . Êîíòóð ëèíèè, îòâå÷àþùèé ýòîìó ïðîöåññó,èçîáðàæ¼í êàê ôóíêöèÿ ÷àñòîòû ω . Êîíòóð ëèíèè ìîæåò áûòü èíòåðïîëèðîâàí ëîðåíöåâñêèì êîíòóðîì, îïðåäåëÿåìûé äâóìÿ ïàðàìåòðàìè: ïîëîæåíèåì ìàêñèìóìà (ω res ) è åãîøèðèíîé. Ýíåðãèÿ (EN ) è øèðèíà (ΓN ) óðîâíÿ N îïðåäåëÿþòñÿ ïîëîæåíèåì ìàêñèìóìàè øèðèíîé ëîðåíöåâñêîãî êîíòóðà, ñîîòâåòñòâåííî.ñâîéñòâ ïðîöåññà ðàññåÿíèÿ [19].
 ÷àñòíîñòè, ïîëîæåíèå ìàêñèìóìà çàâèñèò îò äåòàëåé ïðîöåññà ðàññåÿíèÿ. ðàìêàõ íàèáîëåå ïðîñòîãî ïîäõîäà ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü ýëåêòðîííîé îáîëî÷êè èîíà (èëè àòîìà) õàðàêòåðèçóåòñÿ òîëüêî äâóìÿ ïàðàìåòðàìè: ýíåðãèåé è øèðèíîé. Ïîýòîìó ìû äîëæíû ñôîðìóëèðîâàòü è ïðèìåíèòüïðèáëèæåíèå, ãäå ýíåðãèÿ è øèðèíà óðîâíÿ íå çàâèñÿò îò äåòàëåé ïðîöåññàðàññåÿíèÿ, â êîòîðîì îíè îïðåäåëÿþòñÿ. Òîãäà ýíåðãèÿ è øèðèíà óðîâíÿáóäóò ÿâëÿòüñÿ õàðàêòåðèñòèêîé èñêëþ÷èòåëüíî èîíà (àòîìà), ò.å. íå çàâèñÿùèìè îò ìåòîäà èõ èññëåäîâàíèÿ (èçìåðåíèÿ). ðàìêàõ ìåòîäà êîíòóðà ëèíèè ìû ïðèìåíÿåì ðåçîíàíñíîå ïðèáëèæåíèå. ðàìêàõ ýòîãî ïðèáëèæåíèÿ ìû áóäåì ðàññìàòðèâàòü òîëüêî ðåçîíàíñíûå24âêëàäû â àìïëèòóäó, ïðåíåáðåãàÿ íåðåçîíàíñíûìè. Çàòåì ìû èíòåðïîëèðóåì êîíòóð ëèíèè ëîðåíöåâñêèì êîíòóðîì, êîòîðûé õàðàêòåðèçóåòñÿ äâóìÿïàðàìåòðàìè: ïîëîæåíèåì ðåçîíàíñà (∆E ) è øèðèíîé ΓW L (ω) =N,(ω − ∆E)2 + 14 Γ2(2.2)ãäå N íîðìèðîâî÷íàÿ êîíñòàíòà.  ñëåäóþùèõ ãëàâàõ ìû ïðîäåìîíñòðèðóåì âû÷èñëåíèå óðîâíåé ýíåðãèè ïîñðåäñòâîì âû÷èñëåíèå ïîçèöèé ñîîòâåòñòâóþùèõ ðåçîíàíñîâ.2.1Ìåòîä êîíòóðà ëèíèè äëÿ îäíîýëåêòðîííûõ èîíîâÌû íà÷í¼ì ñ ðàññìîòðåíèÿ ïðîñòåéøåãî ïðîöåññà óïðóãîãî ðàññåÿíèÿ ôîòîíà íà îäíîýëåêòðîííîì èîíå, èçíà÷àëüíî íàõîäÿùåìñÿ â îñíîâíîì ñîñòîÿíèè a0 , â íèçøåì ïîðÿäêå ÊÝÄ òåîðèè âîçìóùåíèé (Ðèñ.
2.2). Ìû áóäåìèñïîëüçîâàòü òàê íàçûâàåìóþ êàðòèíó Ôàððè, â êîòîðîé ýëåêòðîíû ïðåäñòàâëÿþòñÿ ðåøåíèåì óðàâíåíèÿ Äèðàêà ñ ÃàìèëüòîíèàíîìbhD (r) = αpb + βm + eV nuc (r) ,(2.3)b = −i∇ îïåðàòîðû èìïóëüñà. Îïåðàãäå α, β ìàòðèöû Äèðàêà è pòîð V nuc (r) îïèñûâàåò âíåøíèé ïîòåíöèàë ÿäðà (òî÷å÷íîãî èëè èìåþùåãîñòðóêòóðó).  ÷àñòíîñòè, äëÿ òî÷å÷íîãî ÿäðà îí âûãëÿäèò êàêV nuc (r) =e2 Z.r(2.4) êîâàðèàíòíîé ôîðìå óðàâíåíèå Äèðàêà èìååò âèäãäå 6bp =Pµnucb6 p − γ0 V− m ψ = 0,(2.5)γµ pµ ≡ γµ pµ , p̂µ êîìïîíåíòû 4-îïåðàòîðà ýíåðãèè-èìïóëüñà.Ìû áóäåì èñïîëüçîâàòü ðåëÿòèâèñòñêóþ ñèñòåìó åäèíèö âåçäå, ãäå íå óêàçàíî äðóãîå. Ñîãëàñíî ñòàíäàðòíûì ïðàâèëàì Ôåéíìàíà â êîîðäèíàòíîì25ïðåäñòàâëåíèè (ñì., íàïðèìåð, [13]), ýëåìåíò S-ìàòðèöû äëÿ ãðàôèêà, èçîáðàæ¼ííîãî íà Ðèñ. 2.2 èìååò âèäS (2) = (−ie)2Z0d4 xu d4 xd ψ̄a0 (xu )γ µu S(xu , xd )γ µd ψa0 (xd )0,λ )×Aµ∗(k(xu )A(k,λ)µd (xd ) ,uãäå x(2.6)(r, t) îáîçíà÷àåò 4-âåêòîð ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè, ψa0 (x)==ψa0 (r)e−iεa0 t îäíîýëåêòðîííûå âîëíîâûå ôóíêöèè, ψ̄ = ψ + β äèðàêîâñêè(k,λ)ñîïðÿæ¼ííûå âîëíîâûå ôóíêöèè è Aµ(k,λ)(x) = Aµ(r)e−iωt 4-âåêòîð ïî-òåíöèàëà ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ (âîëíîâàÿ ôóíêöèÿ ôîòîíà), k âîëíîâîéâåêòîð, λ âåêòîð ïîëÿðèçàöèè.
×àñòîòû ïîãëîù¼ííîãî è èçëó÷¼ííîãî ôîòîíà ïîëó÷àþòñÿ ω = |k| è ω 0 = |k0 |, ñîîòâåòñòâåííî. Ìû èñïîëüçóåì îáîçíà÷åíèÿ xu , xd äëÿ êîîðäèíàò âåðõíèõ up è íèæíèõ down âåðøèí Ðèñ. 2.2.Ýëåêòðîííûé ïðîïàãàòîð â êàðòèíå Ôàððè ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí â ôîðìåðàçëîæåíèÿ ïî ñîáñòâåííûì ôóíêöèÿì óðàâíåíèÿ Äèðàêà Óð. (2.5) [27]iS(x1 , x2 ) =2πZ∞dωn e−iωn (t1 −t2 )−∞X ψn (r1 )ψ̄n (r2 ),ω−ε(1−i0)nnn(2.7)ãäå ñóììèðîâàíèå ïî n èä¼ò ïî ïîëíîìó ñïåêòðó óðàâíåíèÿ Äèðàêà (ñóììèðîâàíèå ïî äèñêðåòíîìó ñïåêòðó è èíòåãðèðîâàíèÿ ïî ïîëîæèòåëüíî- èîòðèöàòåëüíî-÷àñòîòíîìó íåïðåðûâíîìó ñïåêòðó).Ïîäñòàâëÿÿ âûðàæåíèÿ äëÿ ýëåêòðîííîãî ïðîïàãàòîðà è âîëíîâûõ ôóíêöèé ôîòîíîâ è ýëåêòðîíîâ, ýëåìåíò S-ìàòðèöû ìîæíî çàïèñàòü êàêS(2)2= (−ie)Z00,λ )dtu d3 ru dtd d3 rd dωn ψ̄a0 (ru )γ µu A∗(k(ru )µuitu (εa0 +ω 0 ) −iωn (tu −td )×eei X ψn (ru )ψ̄n (rd ) −itd (εa +ω)0e2π n ωn − εn (1 − i0)×γ µd A(k,λ)µd (rd )ψa0 (rd ) .Èíòåãðèðîâàíèå ïî ïåðåìåííûì âðåìåíè è ÷àñòîòû tu , td , ωn äà¼òS(2)22= (−ie) (2π)Z00,λ )d3 ru d3 rd dω ψ̄a0 (ru )γ µu A∗(k(ru )µu26(2.8)×δ(ωn − ω 0 − εa0 )i X ψn (ru )ψ̄n (rd )δ(ω + εa0 − ωn )2π n ωn − εn (1 − i0)×γ µd A(k,λ)µd (rd )ψa0 (rd )X (eA∗(k0 ,λ0 ) )a n (eA(k,λ) )na00= (−2πi)δ(ω − ω 0 ).ω+ε−εan0n(2.9)Çäåñü ìû èñïîëüçîâàëè îáîçíà÷åíèå(k,λ)AabZ=d3 r ψ̄a (r)γ µ A(k,λ)(r)ψb (r) .µ(2.10)Àìïëèòóäà ïðîöåññà óïðóãîãî ðàññåÿíèÿ ôîòîíà ñâÿçàíà ñ ýëåìåíòîì Sìàòðèöû ñëåäóþùèì îáðàçîìS = −2πi δ(ω − ω 0 )U .(2.11)Ðåçîíàíñíîå ðàññåÿíèå îçíà÷àåò, ÷òî ÷àñòîòà ôîòîíà ω áëèçêà ê ðàçíîñòèýíåðãèé ìåæó àòîìíûìè óðîâíÿìè ω = εa − εa0 + O(α), ãäå α ïîñòîÿííàÿòîíêîé ñòðóêòóðû.
Ñîîòâåòñòâåííî, ìû äîëæíû îñòàâèòü òîëüêî îäèí ÷ëåíâ ñóììèðîâàíèè ïî n Óð. (2.9). Ðåçîíàíñíàÿ àìïëèòóäà èìååò âèä(k 0 ,λ0 )∗U(2)(k,λ)Aa a Aaa0.= e2 0ω + εa0 − εa(2.12)Ýòà àìïëèòóäà èìååò ñèíãóëÿðíîñòü îêîëî ω = −εa0 + εa . ×òîáû îáîéòèýòó ñèíãóëÿðíîñòü è ïîëó÷èòü ëîðåíöåâñêèé êîíòóð äëÿ ïðîöåññà ïîãëîùåíèÿ ôîòîíà è èçëó÷åíèÿ ôîòîíà, ìû äîëæíû ðàññìîòðåòü âñòàâêè ãðàôèêîâñîáñòâåííîé ýíåðãèè ýëåêòðîíà âî âíóòðåííèå ýëåêòðîííûå ëèíèè Ðèñ. 2.2.Ýòà âñòàâêà èçîáðàæåíà íà Ðèñ. 2.3.Ñîîòâåòñòâóþùèé ìàòðè÷íûé ýëåìåíò ìîæåò áûòü çàïèñàí êàêS(4)4= (−ie)Z00,λ )∗d4 xu d4 x1 d4 x2 d4 xd ψ̄a0 (xu )γ µu A(k(xu )S(xu , x1 )µu×γ µ1 S(x1 , x2 )γ µ2 S(x2 , xd )γ µd A(k,λ)µd (xd )Dµ1 µ2 (x1 , x2 )ψa0 (xd ) ,(2.13)27ãäå Dµ1 µ2 (x1 , x2 ) îáîçíà÷àåò ôîòîííûé ïðîïàãàòîð, êîòîðûé â ôåéíìàíîâñêîé êàëèáðîâêå èìååò âèäiDµ1 µ2 (x1 , x2 ) =2πZIµ1 µ2 (Ω, r12 ) = gµ1 µ2dΩ Iµ1 µ2 (|Ω|, r12 )e−iΩ(t1 −t2 ) ,1 iΩr12e,r12(2.14)(2.15)ãäå r12 = |r1 − r2 | è gµ1 µ2 ìåòðè÷åñêèé òåíçîð.Èíòåãðèðîâàíèå ïî ïåðåìåííûì âðåìåíè è ÷àñòîòû è ïðèìåíåíèåÓð.
(2.11) ïðèâîäèò ê ñëåäóþùåìó âûðàæåíèþ äëÿ àìïëèòóäû â ðåçîíàíñíîì ïðèáëèæåíèèU (4) = U (2)Σ̂aa (ω + εa0 ).ω + εa0 − εa(2.16)Çäåñü ìû ââåëè çàâèñÿùèé îò ýíåðãèè ìàòðè÷íûé ýëåìåíò ñîáñòâåííîé ýíåðãèè ýëåêòðîíàX i ZIunnd (|Ω|)Σ̂ud (ξ) = edΩ2πξ − Ω − εn (1 − i0)n2(2.17)âìåñòå ñ îáîçíà÷åíèåìIu1 u2 d1 d2 (Ω) =XZdr1 dr2 ψ̄u1 (r1 )ψ̄u2 (r2 )γ µ1 γ µ2 Iµ1 µ2 (Ω, r12 )µ1 µ2(2.18)×ψd1 (r1 )ψd2 (r2 ) .Ìû ïðåäïîëàãàåì, ÷òî ìàòðè÷íûé ýëåìåíò (2.17) ïåðåíîðìèðîâàí ñòàíäàðòíûì îáðàçîì äëÿ ñâÿçàííûõ ýëåêòðîíîâ (ñì., íàïðèìåð, [13]).Ïîâòîðÿÿ ýòè âñòàâêè â ðàìêàõ ðåçîíàíñíîãî ïðèáëèæåíèÿ, ìû ïîëó÷àåìãåîìåòðè÷åñêóþ ïðîãðåññèþ.
Ñóììèðîâàíèå ýòîé ïðîãðåññèè äà¼ò(k 0 ,λ0 )∗(k,λ)Aa0 a Aaa0,U = e2ω + εa0 − Va (ω)(2.19)Va (ω) = Va(0) + ∆Va (ω) ,(2.20)ãäå28Va(0) = εa ,∆Va (ω) = Σ̂aa (ω + εa0 ) .(2.21)(2.22) ðåçîíàíñíîì ïðèáëèæåíèè ìû ìîæåì çàìåíèòü ω + εa0 by εa . Òîãäà,∆Va = Σ̂aa (εa ) ïðåäñòàâëÿåò ñäâèã ýíåðãèè, âîçíèêøèé áëàãîäàðÿ ó÷¼òó ïîïðàâêè íà ñîáñòâåííóþ ýíåðãèþ ýëåêòðîíà â íèçøåì ïîðÿäêå. Óäîáíî çàïèñàòü ìàòðè÷íûé ýëåìåíò ñîáñòâåííîé ýíåðãèè ýëåêòðîíà êàê ñóììó åãîâåùåñòâåííîé è ìíèìîé ÷àñòèiΣ̂aa (εa ) = La − Γa ,2(2.23)ãäå La ïîïðàâêà íà ñîáñòâåííóþ ýíåðãèþ ýëåêòðîíà ê ýíåðãèè âîçáóæä¼ííîãî óðîâíÿ a, à Γa øèðèíà ýòîãî óðîâíÿ. Òàêèì îáðàçîì, ïîëþñ â Óð.
(2.19)ñäâèíóëñÿ â êîìïëåêñíóþ ïëîñêîñòü è ñèíãóëÿðíîñòü òåïåðü îòñóòñòâóåò. Ðåçîíàíñíûå ÷àñòîòû â íóëåâîì è ïåðâîì ïîðÿäêå òåîðèè âîçìóùåíèé èìåþòâèäω res,(0) = −εa0 + εa ,ω res,(0+1) = −εa0 + εa + La .(2.24)(2.25)Áåðÿ êâàäðàò ìîäóëÿ àìïëèòóäû Óð. (2.19), èíòåãðèðóÿ ïî íàïðàâëåíèÿìôîòîíà è ñóììèðóÿ ïî ïîëÿðèçàöèÿì ôîòîíà, ìû ïðèõîäèì ê âåðîÿòíîñòè(ñå÷åíèþ) ïðîöåññà ðàññåÿíèÿ ôîòîíà íà îäíîýëåêòðîííîì èîíå.  ðåçîíàíñíîì ïðèáëèæåíèè ýòà âåðîÿòíîñòü ôàêòîðèçóåòñÿ íà âåðîÿòíîñòü ïîãëîùåíèÿ è èçëó÷åíèÿ ôîòîíà ñ îäèíàêîâûì ëîðåíöåâñêèì êîíòóðîì [28]L(ω res ) =Γaa0,(ω − ω res )2 + 14 Γ2a(2.26)ãäå Γaa0 ïàðöèàëüíàÿ øèðèíà, îòâå÷àþùàÿ ïåðåõîäó a → a0 .Îäíîé èç íàèáîëåå âàæíûõ ïðîáëåì â ìåòîäà êîíòóðà ëèíèè ÿâëÿåòñÿîïèñàíèå îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ. Âñòàâêè ïîïðàâîê íà ñîáñòâåííóþ ýíåðãèþ29ýëåêòðîíà âî âíåøíèå ýëåêòðîííûå ëèíèè â ñòàíäàðòíûõ ôåéíìàíîâñêèõãðàôèêàõ, îïèñûâàþùèõ óïðóãîå ðàññåÿíèå ôîòîíîâ íà àòîìíîì ýëåêòðîíåïðèâîäÿò ê íåóñòðàíèìûì ñèíãóëÿðíîñòÿì.
Ïîñêîëüêó ýòè âíåøíèå ëèíèèñîîòâåòñòâóþò íà÷àëüíîìó è îêîí÷àòåëüíîìó ýëåêòðîííîìó ñîñòîÿíèþ, âîçíèêàåò ïðîáëåìà èññëåäîâàíèÿ ýíåðãèè îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ. Êðîìå òîãî,ýòè ñèíãóëÿðíîñòè äåëàþò âñþ òåîðèþ íåïîëíîé, òàê êàê S-ìàòðèöà äëÿñâÿçàííûõ ñîñòîÿíèé â äåéñòâèòåëüíîñòè íå ñóùåñòâóåò.Äàëåå, â ðàìêàõ ìåòîäà àäèàáàòè÷åñêîé S-ìàòðèöû ìû ïîêàæåì, ÷òî îñîáåííîñòè, âîçíèêàþùèå ïîñëå âñòàâîê ïîïðàâîê íà ñîáñòâåííóþ ýíåðãèþ âîâíåøíèå ýëåêòðîííûå ëèíèè, â ýëåìåíòå S-ìàòðèöû, îòâå÷àþùèé Ðèñ.