氢分子离子与反质子氦结构和外场效应计算

发布时间：2020-08-20 13:09

【摘要】：氢分子离子(H2+,HD+等)是由两个核和电子构成的最简单的双中心分子体系。反质子氦pHe+是一种奇异的三体库仑体系,相当于一个反质子取代氦原子的一个电子,并处在高角动量里德堡态。氢分子离子和反质子氦理论上都可以进行精确的计算,并且实验上目前也可以进行高精度的光谱测量。对特定的跃迁频率进行理论计算和实验测量的比对,不仅可以检验束缚态QED理论甚至CPT对称性理论还可以高精度地确定(反)质子-电子质量比。实验测量精度进一步的提高面临主要的问题是减小系统误差以及新实验方案和技术的运用。非相对论能级和波函数到跃迁几率,极化率以及长程相互作用色散系数都高度依赖于理论计算。这对于实验方案的设计和实验误差的分析提供了系统的参考,同时也是氢分子离子和反质子氦的精密谱研究的重要组成部分。本文主要工作包括：(1)利用关联坐标中的变分法系统地精确计算了氢分子离子HD+,HT+,DT+的振转态(v=0-5,L=0-5)的能级,并计算了氢分子离子振转跃迁的振子强度,也为新实验方案的设计提供必要的数据。(2)氢分子离子误差分析包括外部电场引起的Stark效应甚至BBR黑体辐射效应,需要理论计算动力学极化率。对氢分子离子HD+,我们研究了氢分子离子振转态(v=0-5,L=0-5)的静电极化率和动力极化率。在此基础上确定了振转态(v=0,L=0-2)的幻零波长和某些电偶极跃迁的幻波长。这对于分析氢分子离子的外场效应,并深入理解氢分子离子的结构具有重要价值。(3)反质子氦光谱的碰撞频移,是目前实验测量中一个迫切需要解决的问题。通过分析反质子氦与氦的长程相互作用,可以确定冷反质子氦的碰撞频移误差。我们利用变分法精确计算了氦原子基态和反质子氦高里德堡态(n～L=30-40)的精确能级和波函数,计算了其静电极化率,这对将来的反质子氦实验有潜在价值。进一步地,我们系统研究了反质子氦与基态氦原子的长程相互作用的领头项,对于反质子氦光谱的碰撞频移具有重要意义。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O561
【图文】：

氨分子,理论修正,布纳,离子相

图１．１：氨分子离子精密谱计算逡逑在氨分子离子相对论和ＱＥＤ理论修正方面，主要是由俄罗斯杜布纳（Ｄ化ｎａ）联逡逑了所（ＪＩＮＲ）的Ｖ．Ｉ．邋Ｋｏｒｏｂｏｖ及其合作者完成，xO究进展可参看图。２００６年，逡逑ｂｏｖ与合作者［５８］基于变分法严格求解氨分子离子的非相对论能级，应用白旋逡逑

基组,氨分子,非相对论,振转能级

关联的Ｈｙｌｌｅｒａａｓ基组，可高精度计算氨分子离子和反质子氮等库仑体系的非逡逑相对论能级和波函数［１０７－１０９，邋１２２－１２７］，特别是低振转态的能级精度达到或超过逡逑了邋１0－３０［。８，１２９］，见图１．２的非相对论能级的计算精度进展。逡逑现在简要介绍本文采用Ｈｙｌｌｅｒａａｓ关联基组变分法发展概况。最早在１９２９年研究逡逑量电子体系如氮原子时，Ｈｙｌｌｅｒａａｓ提出可描述相互关联作用的坐掠系［１１５，邋１１６］，逡逑Ｓ邋＝邋？＇１邋＋邋ｒ２，邋ｔ邋＝邋－７＇ｉ邋＋邋ｒ２，邋ｕ邋＝邋？＇ｉ２逦（１．１０）逡逑ｒｉ和ｒ２是电子与核的距离，ｒｉ２是两电子间的距离。采用下面的基}D展开式，逡逑＊邋＝邋玄邋ＧｍｎｓＶ呼邋ｎ；逦（１．１１）逡逑ｉ．ｍ．ｎ＞０逡逑其中的参数Ｋ和Ｇｗ。根据变分原理求解极小条件确定的。只用了７项展开，氨原逡逑子的基态能量计算得到的值为Ｅ＝－２．卵３邋２４，这是一个较准确的上界。１９巧年，义逡逑７逡逑

能量图,氨分子,跃迁强度,离子

了ＨＤ＋的振转态（ｙ邋＝邋６，Ｌ）能级。低振转态（Ｕ邋＝邋０－５，＂邋一（ｉ／邋＝邋６，１／）的电偶逡逑极跃迁振子强度也至少有五位有效数字。这对于实验中激光器波长及功率的逡逑参考是足够的。图３．２显示的是氨分子离子ＨＤ＋跃迁振子强度和波长的对照图，逡逑（＾邋＝邋０，／0邋一（１，巧：（２，１／）．．．化／／）的电偶极跃迁强度的数量级依次减小，波长逡逑从６０００ｎｍ波段到ｌＯＯＯｎｍ波段。根据振转跃迁的波长及对应跃迂强度，可Ｗ此来选逡逑用合适的激光器进行实验设计。氨分子离子ＨＴ＋，ＤＴ＋的振子强度的结果列在附录Ｄ逡逑的两个表格Ｄ．１和Ｄ．２中。逡逑１逦■逦Ｉ逦，逦．逦Ｉ逦．逦Ｉ逡逑１0＿５邋＿邋ＨＤ＊邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｄｉｐｏｌｅ邋Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ逦（ｖ＝０N）－＞（ｖ＝１邋N？）．逡逑－逦－逡逑＾逦（ｖ＝０．Ｌ）－＞（ｖ＝２，Ｌ＇）逦：逡逑｜）邋１0－７邋：逦｜｜逦：逡逑Ｉ邋１０＾逦：逦：逡逑Ｉ邋ｌ0＾ｒ逦＾逦：逡逑含邋１０＂：逦：逡逑１０－。：逦Ｉ逦：逡逑１邋0－。Ｌ邋Ｉ邋Ｈ逦ＩＩ．邋N邋Ｉ逦■邋＂邋Ｉ逦■邋Ｉ逦■逦＿邋ｊ＿逦ｊ逦－逡逑ｗｏｏ逦２０００逦３０００逦４０００逦５０００逦６加０逡逑Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｅｎｅｒｇｙ（ｎｍ）逡逑图３．２：氨分子离子ＨＤ＋跃迁强度和能量的对照逡逑小结：对于氨分子离子ＨＤ＋，ＨＴ＋，和ＤＴ＋，我们用关联巧ｌｌｅｒａａｓ坐标中的基组精逡逑确计算了其振转态心＝0邋—５，Ｌ邋＝日－巧之间的电偶极跃迁振子强度。对于ＨＤ＋，也逡逑计算了＝邋０邋－邋５

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