高等原子分子物理学

陈向军

办公室：理化大楼02-008

Email: xjun@ustc.edu.cn

陈 磊：理化大楼02-001

Email: leichen@mail.ustc.edu.cn

课件地址：http://staff.ustc.edu.cn/~xjun

高等原子分子物理学

主要参考书

高等原子分子物理学

§1.1 原子分子物理学的发展概况

Early history

1900, Max Planck, blackbody radiation law

The Nobel Prize in Physics 1918

"in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta"

第一章原子分子物理学的主要研究内容

hε ν=能量子

1905, Albert Einstein, proposed the theoretical explanation of photoelectric effect

The Nobel Prize in Physics 1921

"for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"

§1.1 原子分子物理学的发展概况

20 0

12

h mv eVν φ− = =

photonE hν=

1923, A. Compton, scattering experiment

"for his discovery of the effect named after him"

The Nobel Prize in Physics 1927

§1.1 原子分子物理学的发展概况

= p k

0

(1 cos )f ih

m cλ λ θ− = −

1911, Ernest Rutherford, nuclear atom model after analyzing his experiment of alpha-particle scattering

"for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances"

The Nobel Prize in Chemistry 1908

§1.1 原子分子物理学的发展概况

1913, Niels Bohr, stationary energy level of hydrogen atom

The Nobel Prize in Physics 1922

"for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them"

§1.1 原子分子物理学的发展概况

1914, J. Franck, G. Hertz, experiment of energy loss of electrons in a gas

The Nobel Prize in Physics 1925

"for their discovery of the laws governing the impact of an electron upon an atom"

James Franck Gustav Ludwig Hertz

§1.1 原子分子物理学的发展概况

1925, G. Uhlenbeck, S. Goudsmit

§1.1 原子分子物理学的发展概况

1925 and 1926, advent of quantum mechanics theory, Heisenberg, Born, Jordan, Bohr, Schrödinger, Dirac, Kramers, Slater, W. Pauli, L. V. de Broglie, …

§1.1 原子分子物理学的发展概况

1925/1926, 氢原子(简单两体问题)的解析解

原子分子物理学是研究原子分子（包括离子和团簇）的结构和相互作用的科学

§1.2 原子分子物理学的主要研究内容

1s (n=1, l=0)

2s (n=2, l=0)

3s (n=3, l=0)

2p (n=2, l=1)

3p (n=3, l=1) 3d (n=3, l=2)

-1/2

-1/8

-1/18

0

Ener

gy (a

u)

Electron is free

Electron is bound to ion………..………..

1928之后，双电子原子（如氦原子）束缚态的非相对论量子力学精确解

1930年代Hylleraas的关联波函数[1]1950年代Pekeris的完成精确解 [2]。

Hartree-Fock method and Hylleraas method (variational)

[1] E. A. Hylleraas, Z. Phys. 54, 347 (1929).[2] C. L. Pekeris, Phys. Rev. 112, 1649 (1958).

§1.2 原子分子物理学的主要研究内容

分子

1927, Heitler and F. London, hydrogen molecule wave function

Linus Pauling, theoretical quantum chemistry

"for his research into the nature of the chemical bond and its application to the elucidation of the structure of complex substances"

The Nobel Prize in Chemistry 1927

1927, Born–Oppenheimer (BO) approximation

§1.2 原子分子物理学的主要研究内容

1961年，Schwartz才利用变分法完成了两电子体系的散射（如电子与氢原

子的碰撞）的数值求解问题；主要解决碰撞激发几率问题，基本的方法是所谓的密耦合（Close coupling），即把散射体系未知的薛定谔方程的解用已知的靶波函数展开。

Charles Schwartz, UC Berkeley

H

C. Schwartz, , Phys. Rev. 124, 1468 (161).

e H e H+ → + 两体，弹性散射

(1 ) ( )e H s e H nl+ → + 两体，非弹性散射

§1.2 原子分子物理学的主要研究内容

1993年，Bray和Stelbovics发展了收敛的密耦合(Convergent close coupling )方法，解决了两电子体系的散射电离问题。基本方法是把氢原子的电离态用有限的收敛的虚态来表示。

I. Bray, A. T. Stelbovics, Phys. Rev. Lett. 70, 746 (1993).

(1 )e H s H e e++ → + + 三体，碰撞电离

§1.2 原子分子物理学的主要研究内容

T. N. Rescigno et al., Science 286, 2474 (1999).

在大规模并行计算机的帮助下，精确地数值求解了最基本的三体动力学问题，如电子碰撞氢原子电离和氦原子的光致双电离(photodouble ionization)

(1 )e H s H e e++ → + + 三体，碰撞电离

2(1 )He s He e eγ ++ → + + 三体，光双电离

Exterior complex scaling (ECS)

§1.2 原子分子物理学的主要研究内容

基本问题

原子分子结构和动力学

研究内容

原子结构(包括周围环境的影响)

电子、原子、离子、光与原子分子相互作用

理论手段

量子力学、QED

实验手段谱学实验和碰撞实验

§1.2 原子分子物理学的主要研究内容

0

2

4

6

8

10

amo nuclear physics particle physics

Num

ber o

f Nob

el L

aure

ates

1901 1911 1921 1931 1941 1951 1961 1971 1981 1991 2001

原子物理发展新高潮原子物理发展新高潮

§1.3 原子分子物理学的发展方向

1981 Nobel laureates of Physics

Nicolaas Bloembergen Born March 11, 1920 Dutch American

Arthur Leonard Schawlow Born May 5, 1921USA

Kai Manne Börje Siegbahn April 20, 1918-July 20, 2007 Sweden

1/2"for their contribution to the development of laser spectroscopy"

1/2"for his contribution to the development of high-resolution electron spectroscopy"

§1.3 原子分子物理学的发展方向

1986 Nobel laureates of Physics

Ernst Ruska December 25, 1906–May 27, 1988 Germany

Gerd Binnig Born July 20, 1947 Germany

Heinrich Rohrer Born June 6, 1933 Switzerland

1/2"for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope"

Share another 1/2"for their design of the scanning tunneling microscope"

§1.3 原子分子物理学的发展方向

1989 Nobel laureates of Physics

Norman Foster Ramsey, Jr. Born August 27, 1915 USA

Hans Georg Dehmelt Born September 9, 1922German-born American

Wolfgang PaulAugust 10, 1913 –December 7, 1993 Germany

1/2"for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks"

Share another 1/2"for the development of the ion trap technique"

§1.3 原子分子物理学的发展方向

1997 Nobel laureates of Physics

Steven Chu 朱棣文Born February 28, 1948 American

Claude Cohen-Tannoudji Born April 1, 1933 French

William Daniel Phillips Born November 5, 1948American

Share "for development of methods to cool and trap atoms with laser light"

12th United States Secretary of Energy

§1.3 原子分子物理学的发展方向

2001 Nobel laureates of Physics

Eric Allin Cornell Born Dec. 19, 1961 American

Carl Edwin WiemanBorn March 26, 1951 American

Wolfgang Ketterle Born October 21, 1957German

Share "for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates"

§1.3 原子分子物理学的发展方向

2005 Nobel laureates of Physics

Roy Jay Glauber Born September 1, 1925 American

John L. Hall Born August 21, 1934 American

Theodor W. Hänsch born October 30, 1941German

1/2"for his contribution to the quantum theory of optical coherence"

Share another 1/2"for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique"

§1.3 原子分子物理学的发展方向

2012 Nobel laureates of Physics

Serge HarocheBorn in September 11, 1944French

“for the ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems"

David J. WinelandBorn in February 24, 1944American

§1.3 原子分子物理学的发展方向

AMO发展方向―高精度

• 精密谱学，

• 原子频标， 光频标，（全球定位、基本物理常数测量、基本物理规律验证）

• 原子干涉现象测量，…. （与陀螺仪、引力、加速度测量）

• 冷原子物理，量子信息科学，…

• 带电粒子碰撞动力学

• 原子碰撞动力学

§1.3 原子分子物理学的发展方向

AMO发展方向―复杂体系

氢原子→少电子原子

→多电子原子

→小分子

→大分子

→团簇

→DNA分子

→纳米结构

→表面

§1.3 原子分子物理学的发展方向

AMO发展方向―极端条件

• 超快

fs (10-15 s) →as (10-18 s)• 超强外场

相对论电子，核反应

• 等离子体环境

高能量密度物质中的原子分子物理

§1.3 原子分子物理学的发展方向

AMO发展方向―学科交叉

• 等离子体物理

• 天体物理

• 核物理

• 化学

• 生物

• 工业

• ……

§1.3 原子分子物理学的发展方向

The list of topics includes: • Ultracold gases and Bose Einstein condensates,

• Ultracold Fermi gases,

• Fundamental atomic tests and measurements,

• Precision measurements, atomic clocks and interferometers,

• Quantum information and simulations with atoms and ions,

• Quantum optics and cavity QED with atoms,

• Atoms and molecules in optical lattices,

• From two-body to many-body systems,

• Ultrafast phenomena and free electron lasers,

• Beyond atomic physics (optical imaging, optomechanics...).

ICAP 2016

The 25th International Conference on Atomic Physics

§1.3 原子分子物理学的发展方向

July 24 - 29, 2016 in Seoul, Korea

The XXIX International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions

The list of topics includes: Photon impact (XUV, FEL, ...)

Short pulses, intense fields, attosecond physics, control

Cold atoms, ions, molecules

Electron and positron collisions (atoms, molecules to solids)

Ion impact and atomic collisions (molecules, surfaces, ...)

Clusters and fullerenes

Fundamental atomic processes, systems and data

ICPEAC 2015

§1.3 原子分子物理学的发展方向

July 22 –28, 2015 in Toledo, Spain

超精密

超快/超强

可控

完全测量

§1.3 原子分子物理学的发展方向

• 超高分辨、超高精度：

冷H原子1S基态到2S亚稳态的双光子跃迁。

跃迁的对应的谱线为247nm，测量的线宽为1kHZ (5.376×10-15eV), 分辨率为：8 ×10-13。这相当于测量地球赤道的周长精确到一根头发丝！！

激光光谱

§1.3 原子分子物理学的发展方向

§1.3 原子分子物理学的发展方向

X-ray driven molecular dynamics: Schematic of the multistepphotoionization of an oxygen molecule. Releasing the secondelectron is forbidden until the oxygen ion and atomic fragmentsseparate by 30 angstroms or more. [Science 322, 1081 (2008)].Credit: Greg Kuebler

超快动力学探测

§1.3 原子分子物理学的发展方向

粒子(带电粒子和原子)囚禁和冷却

离子阱

§1.3 原子分子物理学的发展方向

电子磁矩的精密测量

Paul Dirac (1902 –1984) 2 / 2

sB

g µ= −

µ S

The Nobel Prize in Physics "for the discovery of new productive forms of atomic theory."

2sg =

§1.3 原子分子物理学的发展方向

分子束磁共振技术

库什(P. Kusch)和弗利(H.M. Foley)发现了电子的反常磁矩

gs = 2( 1+a ) = 2×(1.00119 ± 0.00005)

The Nobel Prize in Physics in1955 “for his precision determination of the magnetic moment of the electron."/j Bg B hν µ=

§1.3 原子分子物理学的发展方向

兰姆移位和电子反常磁矩，直接促成了量子电动力学(QED)的发展。

施温格(J. Schwinger)、朝永振一郎和费曼(R.P. Feynman)

电子与真空中的虚正负电子对作用----真空极化电子与真空中的虚光子作用----真空涨落

§1.3 原子分子物理学的发展方向

Hans Georg Dehmelt Wolfgang Paul

"for the development of the ion trap technique"

1989 Nobel laureates of Physics

§1.3 原子分子物理学的发展方向

Bo

§1.3 原子分子物理学的发展方向

n = 0

1

2

3

ν c

ν c

ν a

ν z

ν s

ν m

g = 2 ν s

ν c

§1.3 原子分子物理学的发展方向

德默尔特小组1987年得到的结果是

§1.3 原子分子物理学的发展方向

GERALD GABRIELSE

§1.3 原子分子物理学的发展方向

◎ 严格验证 QED；◎ 如果电子有结构，也会反映到g值上；◎ 测量正负电子g值的差异，可以检验CPT守恒。

§1.3 原子分子物理学的发展方向

电子与氦原子碰撞电离的完全测量

--少体库仑问题

§1.3 原子分子物理学的发展方向

T. N. Rescigno et al., Science 286, 2474 (1999).

在大规模并行计算机的帮助下，精确地数值求解了最基本的三体动力学问题，如电子碰撞氢原子电离和氦原子的光致双电离

§1.3 原子分子物理学的发展方向

§1.3 原子分子物理学的发展方向

§1.3 原子分子物理学的发展方向

J. Ullrich et al., Rep. Prog. Phys. 66, 1463 (2003).

reaction microscopes COLTRIMS

§1.3 原子分子物理学的发展方向

碰撞单电离、激发电离和双电离等三体、四体库仑连续态问题

2(1 ) (1 )e He s He s e e++ → + +

Phys. Rev. Lett. 96, 243202 (2006)Nature 422, 48 (2003)

2(1 )e He s He e e e+++ → + + +

§1.3 原子分子物理学的发展方向

§1.3 原子分子物理学的发展方向

美国自然科学基金委2011年的一个战略研讨会把原子分子光(AMO)物理未来的研究分为四个大的方向，分别为：

(1)原子/分子的结构和碰撞；

(2)强场相互作用和超快控制；

(3)冷原子和简并量子气体；

(4)量子光学和量子信息。