正電子與原子散射共振現(xiàn)象的研究.pdf

1、原子分子物理是最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一,其基本任務(wù)就是對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和粒子相互作用提供更詳細(xì)準(zhǔn)確的描述。目前原子分子物理面臨的最大挑戰(zhàn)就是對(duì)多體問(wèn)題和電子關(guān)聯(lián)的處理。近年來(lái),隨著正電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高,正電子與原子分子的碰撞受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。正電子作為電子的反物質(zhì),其質(zhì)量和所帶電荷量與電子相等,而電性相反。在碰撞過(guò)程中正電子受到原子核的排斥和價(jià)電子的吸引力作用,與靶原子的電子之間沒(méi)有交換相互作用,這就決定了正電子-原子散射與電子-原子散

2、射有很大的區(qū)別。例如,正電子碰撞除了存在普通的彈性、激發(fā)、電離、形成束縛態(tài)等散射通道外,還有正負(fù)電子偶素形成和正負(fù)電子湮滅通道。由于正電子的這些獨(dú)特性質(zhì),對(duì)正電子與原子的散射過(guò)程的研究,不僅能夠給我們提供研究物質(zhì)與反物質(zhì)相互作用的重要手段,而且能夠用于研究新的散射物理過(guò)程,具有非常重要的學(xué)術(shù)意義。
　　在正電子與原子碰撞過(guò)程中存在一個(gè)非常重要的現(xiàn)象就是形成共振態(tài)。與形成束縛態(tài)不同,正電子會(huì)暫時(shí)地束縛于靶原子,形成一個(gè)不穩(wěn)定的準(zhǔn)束縛

3、態(tài),稱為共振態(tài)。共振態(tài)一般在原子的激發(fā)閾值以及激發(fā)態(tài)正負(fù)電子偶素閾值以下形成,其原因是由于入射正電子在激發(fā)態(tài)原子能級(jí)或者末態(tài)形成的激發(fā)態(tài)正負(fù)電子偶素能級(jí)簡(jiǎn)引起的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),受到勢(shì)的吸引作用與靶原子形成臨時(shí)的束縛態(tài)。由于正電子所感受到的這個(gè)勢(shì)是電子-電子關(guān)聯(lián)引起的極化勢(shì),因此對(duì)正電子共振現(xiàn)象的研究能夠?yàn)槲覀兲峁┱娮优c原子散射中更詳細(xì)的電子關(guān)聯(lián)信息。
　　共振態(tài)的存在會(huì)在散射相移和散射截面中表現(xiàn)出劇烈的變化,因而研究散射截面能夠預(yù)言

4、共振位置和寬度等重要參數(shù)。目前廣泛用于研究正電子原子碰撞散射截面的方法主要為密耦方法,在之前的理論模型中,一部分只考慮了靶的分立態(tài)之間的耦合而忽略連續(xù)態(tài)的作用,另外的大部分理論方法用偽態(tài)來(lái)描述連續(xù)態(tài)的作用。在研究共振時(shí)引入偽態(tài)會(huì)引起計(jì)算上的偽共振,并且由于需要大量的偽態(tài)來(lái)使結(jié)果達(dá)到收斂,因而計(jì)算會(huì)存在一定困難。本文的主要工作就是用發(fā)展的耦合通道光學(xué)勢(shì)方法研究正電子與氫原子以及復(fù)雜原子散射的共振現(xiàn)象。在我們的方法中,引入一個(gè)極化勢(shì)來(lái)描述碰

5、撞過(guò)程中的連續(xù)態(tài)作用。使用Feshbach投影算符P和Q將整個(gè)反應(yīng)空間分為P和Q兩個(gè)互補(bǔ)的子空間,其中P空間包含靶原子基態(tài)在內(nèi)的有限個(gè)分立態(tài),Q空間包含剩余的分立態(tài)和連續(xù)態(tài),其作用通過(guò)在勢(shì)能項(xiàng)中附加一個(gè)復(fù)的極化勢(shì)來(lái)描述。在描述正負(fù)電子偶素連續(xù)態(tài)的極化勢(shì)中,我們發(fā)展了一種包含激發(fā)態(tài)正負(fù)電子偶素形成過(guò)程的計(jì)算方法,考慮了第一激發(fā)態(tài)正負(fù)電子偶素極化勢(shì)對(duì)散射截面和共振的影響。為了計(jì)算的可行性,我們對(duì)這個(gè)極化勢(shì)引入一個(gè)等價(jià)局域近似和角動(dòng)量投影近似

6、,通過(guò)聯(lián)立求解P子空間中的通道耦合積分方程,得到各散射通道的T矩陣元,然后對(duì)T矩陣元進(jìn)行積分得到各散射截面。
　　在本論文中,我們由簡(jiǎn)單到復(fù)雜依次研究了正電子與氫原子、堿金屬中的鈉原子和惰性氣體中的氦原子散射中的共振現(xiàn)象。目前實(shí)驗(yàn)上受正電子束強(qiáng)度和精度的限制,對(duì)正電子散射共振的測(cè)量還存在一定的困難。對(duì)于理論方面的研究,大部分工作都集中在正電子與氫原子散射的研究,并且前人的主要工作都集中在 S、P和D等低分波共振的研究。本文我們計(jì)算

7、了正電子與氫原子碰撞的分波散射截面,研究了不同分波的共振位置和寬度。我們不僅確定了之前其它理論方法所預(yù)言的共振,還發(fā)現(xiàn)了許多新的共振,找到了目前為止能量位置最低的共振。除此之外我們還給出了F、G、H和I等高分波的共振。氫原子共振形成的主要原因是由激發(fā)態(tài)正負(fù)電子偶素和激發(fā)態(tài)氫原子能級(jí)簡(jiǎn)并形成的偶極極化勢(shì)引起的。我們還研究了正電子碰撞氫原子的微分散射截面中的共振現(xiàn)象,首次給出了各共振態(tài)在散射空間中的角度分布情況。
　　在氫原子研究工作

8、的基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步研究了正電子與堿金屬納原子以及惰性氣體氦原子散射的共振,分析了通道耦合數(shù)量、連續(xù)態(tài)極化勢(shì)以及正負(fù)電子偶素形成通道對(duì)共振參數(shù)的影響。對(duì)于鈉原子的研究表明共振位置隨著耦合通道數(shù)量的增加而向低能區(qū)域移動(dòng),最終達(dá)到收斂。對(duì)于氦原子我們首次預(yù)言了正電子與氦原子碰撞的P和D分波散射截面中的共振。此外,在正負(fù)電子偶素形成閾值和激發(fā)閾值的附近,我們還發(fā)現(xiàn)了分波散射截面以及總散射截面中的Wigner Cusp閾值行為,并對(duì)這些閾值結(jié)構(gòu)形