научная статья по теме К ВОПРОСУ О ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ПО ОТНОШЕНИЮ МАСС ЧАСТИЦ ВКЛАДАХ В ТОНКИЙ СДВИГ S-УРОВНЕЙ ЭНЕРГИИ ВОДОРОДОПОДОБНЫХ АТОМОВ В ПЯТОМ ПОРЯДКЕ ПО КОНСТАНТЕ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ Физика

Текст научной статьи на тему «К ВОПРОСУ О ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ПО ОТНОШЕНИЮ МАСС ЧАСТИЦ ВКЛАДАХ В ТОНКИЙ СДВИГ S-УРОВНЕЙ ЭНЕРГИИ ВОДОРОДОПОДОБНЫХ АТОМОВ В ПЯТОМ ПОРЯДКЕ ПО КОНСТАНТЕ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 3, с. 548-555

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

К ВОПРОСУ О ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ПО ОТНОШЕНИЮ МАСС ЧАСТИЦ ВКЛАДАХ В ТОНКИЙ СДВИГ Я-УРОВНЕЙ ЭНЕРГИИ ВОДОРОДОПОДОБНЫХ АТОМОВ В ПЯТОМ ПОРЯДКЕ ПО КОНСТАНТЕ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ

(© 2004 г. Н. А. Бойкова*, С. В. Клещевская, Ю. Н. Тюхтяев, Р. Н. Фаустов1)

Саратовский государственный университет, Россия Поступила в редакцию 06.12.2002 г.; после доработки 27.05.2003 г.

Проведено прецизионное исследование логарифмического по отношению масс частиц вклада в тонкий сдвиг ¿"-уровней энергии водородоподобных атомов от обмена одним кулоновским фотоном. Показано отсутствие подобного рода вкладов от диаграмм обмена одним поперечным и двумя кулоновскими фотонами.

В последние годы стало ясно, что повышение точности измерений величин сдвигов уровней энергии водородоподобных (ВП) атомов с помощью радиочастотных методов наталкивается на серьезные препятствия. Методы бездоплеровской двух-фотонной лазерной спектроскопии открывают новые перспективы уменьшения экспериментальных ошибок.

Интервал 15*1/2—измерен в настоящее время [1, 2] в атоме водорода с точностью до десятка кГц:

= 2 466 061413187.34(84) кГц (1997 г.),

(1)

р\8-28 = 2 466 061 413 187103(46) Гц (2000 г.).

(2)

Прогресс, достигнутый в последних экспериментальных работах, стимулирует развитие теоретических методов по прецизионному определению поправок к известным значениям величины сдвигов уровней энергии. Значительное число обзоров по теории спектров водородоподобных атомов, опубликованных за сравнительно короткий промежуток времени, свидетельствует о нарастании интереса к исследованию в этом направлении [3-11]. В таблице VIII работы [11] перечислены поправки отдачи, рассчитанные к моменту составления обзора. Исчерпывающий перечень соответствующих данных содержит только один логарифмический по параметру в = т1/т2 вклад (т1, т2 — массы легкой и тяжелой частиц соответственно), полученный еще

''Научный совет по комплексной проблеме "Кибернетика" РАН, Москва. E-mail: theorphys@sgu.ru

в работе Фултона и Мартина 1954 г. [12]. Вопрос о других подобных вкладах был впервые поставлен и частично решен почти 50 лет спустя в работе [13].

Применение квазипотенциального подхода к проблеме тонкого сдвига при однофотонном обмене начнем, следуя работе [14]. Рассмотрим уравнение

[е - \J\)2 + т\ - \/р2 + тФ(р) = (2п)-3У V(p, q; E)^(q)d3q,

(3)

где Е — полная энергия системы; Ф^) — волновая функция; Vq; Е) — квазипотенциал. В результате разложения

-гр

- ^Р2 + т2г^тг + ^

p4

2m2 8m4

+ ... h

i = 1, 2,

получаем

£ip + £2p = mi + m-2 +

+

3p4

2^ 8^3 8^m1m2

(4)

где ц = m1m2/(m1 + m2) — приведенная масса. Уравнение(3) принимает вид

Ф(Р) = (2-)"3/^(Р)Я)+ (5)

+ AV(p, q; E) + Vkta(p, q; E))Ф(q)d3q,

где

W = E — m1 — m2

2

2

4

p

p

К ВОПРОСУ О ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ПО ■ энергия связи системы,

поправка к кинетическом энергии, ДУ = V - ус,

Ус(р, я) = -

(7)

(Р - я)2

— кулоновский потенциал. Для изучения тонкой структуры уровней энергии положим

ДУ = Ув, Ув — брейтовское ядро, и запишем

(р2 + ^)ф(Р) = -^з/(-с(Р,Ч)+ (8)

+ Ув(р, я; Е) + Уш(р, я; Е))Ф(я)^3д,

где а — постоянная тонкой структуры; п — главное квантовое число.

В низшем приближении и в кулоновской калибровке квазипотенциал имеет вид

V = (Т2)+ = (Кс)+ + (Кт)+ = (9)

= Ус + (Кс)+ - Ус + (Кт) +

и соответствует диаграмме однофотонного обмена. Операция (...)+ = и^и^ю720(...)и1и2 означает проектирование на состояния с положительными энергиями,

/ ... \

щ(р) = Мт1 р

Ш

а • р

Ш

Мт1р —

еip +

\егр + mi )

2е.

ip

(10)

ui(p) — дираковский биспинор, записанный в двух-компонентной форме; ш — обычный спинор, удовлетворяющий условию нормировки = 1; а — вектор, компонентами которого являются матрицы Паули; Кс = Ус7ю720;

Кт = -

4па

В - к2 + ¿0

71 • 72

(71 ' *0(72 • к) к2

7i0, Ъ — матрицы Дирака, г = 1,2. Индексы "с" и "Т" символизируют обмен кулоновским и поперечным фотонами соответственно.

Брейтовское ядро взаимодействия получается согласно работе [14] разложением квазипотенциала (9) по степеням величин р2/ш2 и имеет вид

Ув = У, + у,, (11)

Уц = (Кс)+ - УС = - -о + -2

8

1

1

тл

тг

(12)

ОТНОШЕНИЮ МАСС ЧАСТИЦ ВКЛАДАХ 549

У, = (Кт)+ = (13)

4(р • Ч) 1 _ (V2 " О2?

4т1т2

1_(р - я)2

(р - я)4

Решение уравнения (8) с квазипотенциалом = Ут + + У,

приводит к известному выражению для тонкой структуры уровней энергии [11]:

Е

/л(га)4 2 п3

п = (т-1 + т2) -

2 п2

1

V

3

---1—

] + 1/2 4п 4п(т1 + т2)

где 2 — заряд ядра; ] — внутреннее квантовое число.

Таким образом, квазипотенциальный подход воспроизводит тонкую структуру уровней энергии ВП-атомов, следующую из точного решения уравнения Дирака с кулоновским потенциалом с последующим учетом эффектов отдачи.

Для изучения тонкого сдвига уровней энергии следует продолжить анализ выражения квазипотенциала, отвечающего однофотонному взаимодействию частиц. Рассмотрим вначале кулоновскую часть взаимодействия (слагаемые, отвечающие за сверхтонкий сдвиг, опущены):

ДЕс = <рс(р)1 (Кс)+ - ус №с(я)> = (14) (р • я)2

+ ~м1рмчм2рм2я

где Мг = е^ + mi,

- Ус |^с(я)>

Мг — Мт\т Мт2 г —

д/г2 + т\ + т\ / д/г2 + + т2

2д/г2 + ГПл

2д/г2 + ГПо

— произведение нормировочных множителей дира-ковских биспиноров (10); г = р, я.

Для простоты ^с(р) — кулоновскую волновую функцию, отвечающую 15-состоянию, запишем в виде

**<р) = Ш0)Г =

33

2 а V

(р2 + а2v2)2

п

для состояний иБ величина тонкого сдвига уменьшается в п3 раз.

Остановимся более подробно на первом и последнем слагаемых (14), которые представим в виде

<^с(р)| УсМрЩ - Ус |рс(я)> = (15)

2

е

2

550 БОИКОВА и др.

= <^с(p)l ус[1 - (1 - Мр)][1 - (1 - Мд)] -

- ус1^С(ч)> = <^сы1 - ус(1 - яр) -

- ус(1 - N) + УС(1 - Мр)(1 - N) |^сы).

Оценка последнего слагаемого в (15), имеющего вид

<^с (p)l ус(1 - Мр)(1 - мд) |^С (q)), (16) приводит нас к стандартному интегралу [15]: С й3р

I

£1р £2Р(р2 + а2л2) й3д 4п4

(д2 + а2ц2)^ - q)2 т1т2

1п а

1

<^№1 УС^Ыд - УС !^с(я)) =

= <^сЫ1 - 2ус(1 - мр) !^с(я)) .

(17)

Для вычисления второго слагаемого (17) воспользуемся тривиальным алгебраическим преобразованием:

УС (1 - Мр) = = ус[1 - (1 - (1 - кт1р))(1 - (1 - N = ус[(1 - Ыт1 р) + (1- Ыт2р) -- (1 - Ыт1р)(1 - Ыт2р)]. Применимость разложения типа

(18)

т2р))] =

N

т1р

1

р2

+

р4

8т2 128т4

(19)

ограничена, поскольку на определенном этапе возникают расходимости при больших значениях импульсов. Исходя из этого необходимо изучить возможность преобразований подынтегральных функций более тщательно.

Перейдем в рассматриваемом нами выражении к безразмерным величинам посредством замен р = = р'т2, д = д'т2. Тогда

-2(^)1 УС (1 - Ыр) 1<РС (q)) = (20) 8 а6/л5 ( с13д [ с13р

= (д2 + 72)2 У (р2+ 72)2(Р-Ч)2 Х

х [(1 - Л^1р) + (1 - Мер) - (1 - Ы1р)(1 - Мер)] =

_ 32 аУ ¡З2 Г с!рр2

7Г ТП\ТП2 1 + (3 ] (р2 + 72)3 0

х [(1 - М1р) + (1 - Мер) - (1 - М1р)(1 - Мер)],

где 7 = ав/(1 + в),

Мвр =

1л/р2+(32 + (3

М1р =

2л/р2^ ' V '

В выражении (20) штрихи у переменных р' и д' опущены.

Преобразуя подынтегральную функцию с помощью тождества

1 - = ^- -- +

+

4 л/р2 + 1ЫР2 + 1 + 1)

4

р4

(21)

Согласно последним данным такого рода поправки компенсируются в сумме диаграмм, и это слагаемое можно исключить из дальнейшего рассмотрения. После этого в выражении (15) можно использовать симметрию по переменным p и q:

+

32(р2 + 1)(уУ+Т+1)2 р6(3 + М1р)

+

64(р2 + 1)3/2(У^ТТ + 1)3(1 + М1ру '

легко прийти к следующим выводам. Первые два слагаемых из (20) имеют лидирующий порядок а4 и вкладов, содержащих 1п в-1, в тонкий сдвиг не вносят.

Рассчитывая поправку ДЕс из выражения (14) с точностью до четвертого порядка по константе тонкой структуры а, находим с помощью разложения типа (19)

Д£с(а4) = <^сЫ1 (Кс)+ - ус |^сЫ) =

е2 ( 1 1 \

= <УС(Р)|- ( + 1^С(Ч)) =

8

а4л3

т

т

2

1

1

2 + 2 т21 т22

что соответствует результату работы [14]. Отметим только, что при использовании точных значений этих слагаемых возникают дополнительные поправки, содержащие целочисленные степени параметров а и в.

Определим теперь содержащие 1п(т2/т1) поправки к тонкой структуре уровней энергии:

д^С1 =

= <^с Ф) | 2УС (1 - Мт1р)(1 - Мт2р) !^с(я)> =

(22)

в2

32 а5¡3

п т1т2 1 + в йр р2

(р2 + 72)3

(1 - Мвр)(1 - М1р).

Вместо величины 1 - Ы1р подставим ее представление (21):

те

~1п_ 32 а5/л3 {З2 [ йрр2

0

(23)

х

X

К ВОПРОСУ О ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ПО 2

X

+

р

р4

+-

32(р2 + 1)(у^ТТ+1)2 р6(3 + М1р)

+

+

64 (р2 + 1)3/2^2^1 + 1)3(1 + ДГ1р)3 = 11 + /2 + 1з. Поскольку лидирующий вклад интеграла

ж

йр р8

г

73 ^ —р

т1т2 J (р2 + 72)3(р2 + 1)3 0

х (24)

1

х ( Л^ - — I ~ -^/З3 V V т1т2

/2 = -

1 а5/х3 /З2 /■ ф

47Г ТП\ТП2 1 + /3 У р2 + 1 0

оо

5,,3

(1 - Мф) =

йр

1 аУ /З3 _

47Г ТП\ТП2 1 + /3 У р2 + /З2 0

1

Ур2 +1

+ 1 ,

Используя при расчете /2 разложение радикала по р/\/р2 + 1 < 1, находим, что основной логарифмический по отношению масс частиц вклад равен:

/2(1П в"1) =

1

а5^3

8\/27Г Ш1Ш2 1 + /3

^ 1п /З-1.

Вычисление логарифмического вклада от первого члена (23) сводится к расчету величины

8 а^3 в2

Д =---т-- х

п т1 т2 1+ в йрр4

Ор2 + 7 2)3л/Р2 + 1(уУ + 1 + 1)

(1 - Мр)

3 а5/х3 /З2 Г йр

7Г Ш1Ш2 1 + /3 У р2 + 1 0

(1 - Мр),

ОТНОШЕНИЮ МАСС ЧАСТИЦ ВКЛАДАХ 551 откуда

/1(1п в"1) = -

аУ

в3

2л/2тт Ш1Ш2 1 +/3

1п в

1

Итак, новый логарифмический по отношению масс частиц вклад от обмена одним кулоновским фотоном равен:

8\/2тг Ш1Ш2 1 +/3

(25)

Выясняя вопрос о наличии других логарифмических вкладов по параметру в, отметим, что разложение

л/ГТж = 1 + -- — + •• •

8

(26)

то учитывать последнее слагаемое (23) при расчетах с точностью до [а^^тт^в3 1пв"1 не следует.

С указанной точностью вклад от второго слагаемого в величину интеграла ДЁ^? существует, и его с помощью оценки (24) можно представить в виде

справедливо в закрытом промежутке 0 < х < 1. Таким образом, в интервале интегрирования

0 < р < 1 фактор М1р можно раскладывать в ряд по 2

степеням р2:

М1р = -

= 1 -

2 V?2 + 1 Ыр2 + 1 + 1)

р2

4\/р2 + Чл/р2 + 1 + 1)

р4

32(р2 + 1)(^Р2+Т+1)2

В этом же промежутке

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком