22 февраля 2022

Петербургский институт ядерной физики обнародовал подходы к исследованиям сверхтонкого расщепления в спектрах ионов, атомов и молекул

Владимир Лобашев

Изучение сверхтонкого расщепления в спектрах ионов, атомов и молекул является очень актуальной задачей как благодаря успехам в методах современной спектроскопии, так и в связи с развитием теоретических методов расчёта. Развитию последних посвящена работа лаборанта-исследователя Лаборатории квантовой химии Отделения перспективных разработок НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ Сергея Просняка, который получил в 2022 году стипендию им. Владимира Михайловича Лобашева для молодых учёных и специалистов Института за успехи в области ядерной физики.

Теоретическое предсказание констант сверхтонкого расщепления и сравнение их с результатами измерений используется для оценки уровня точности расчёта электронной волновой функции рассматриваемой системы. Прецизионные расчёты электронной структуры важны для множества задач, начиная от разработки атомных часов, заканчивая поисками «новой физики», например, обнаружения электрического дипольного момента электрона. Однако, изучение сверхтонкого расщепления представляет самостоятельный интерес ещё и с точки зрения изучения структуры ядра.

Дело в том, что в константу сверхтонкого расщепления даёт заметный вклад эффект конечного размера ядра. Учёт зарядовой части этой поправки не представляет значительной сложности, т. к. зависит в основном от известного зарядового радиуса ядра. Но задача по учёту магнитной части поправки (эффект Бора-Вайскопфа) намного сложнее и значительно интересней. В случае её успешного решения можно улучшить согласие теоретической и экспериментальной констант сверхтонкого расщепления, делать выводы о различиях в распределении намагниченности ядер изотопов. Кроме того, появляется возможность определения магнитных моментов короткоживущих ядер.

В отличие от стабильных ядер, где можно провести эксперимент по ядерному магнитному резонансу, для короткоживущих ядер применить данный экспериментальный метод оказывается затруднительно. Однако, комбинируя экспериментальные константы сверхтонкого расщепления и результаты расчётов эффекта Бора-Вайскопфа, оказывается возможным определить искомый магнитный момент.

В ходе работы над публикациями и  был разработан подход и программы, позволяющие вычислять эффект Бора-Вайскопфа для нейтральных атомов как в модели ядра с равномерным распределением намагниченности по его объёму, так и в модели Вудса-Саксона с учётом спин-орбитального взаимодействия при одновременном учёте эффектов электронной корреляции. Необходимо отметить, что если первая модель широко используется в атомных расчётах, то вторая ранее применялась только для многозарядных ионов, а для тяжёлых нейтральных атомов была применена впервые. Одной из возникших при проведении расчётов сложностей был учёт эффектов электронной корреляции. Оказалось, что для одного из электронных состояний атома таллия значение, рассчитанное на уровне Дирака-Хартри-Фока, отличается от экспериментального в 5 раз. Поэтому для достижения хорошего результата требуется учитывать эффекты электронной корреляции на очень высоком уровне, в рамках метода связанных кластеров с включением кластерных амплитуд вплоть до четырёхкратных. Одним из важных результатов, полученных в ходе работы стало уточнение магнитных моментов ряда метастабильных изотопов таллия. Развиваемый подход может также быть обобщён на случай рассмотрения молекул, что уже становится актуальным.

Работа выполняется в рамках проекта РНФ 19-72-10019.