基本介紹
- 中文名：原子與光子相互作用——基本過程和套用
- 作者：[法]克勞德·科恩-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji） 、 [法]雅克·杜邦－羅克（Jacques Dupont-Roc） 、[法]吉爾伯特·格林伯格
- 出版時間：2021年1月1日
- 出版社：清華大學出版社
- ISBN：9787302565734
- 定價：99 元
內容簡介,目錄,
內容簡介
本文著重研究原子分子物理、量子光學和雷射物理中光和原子相互作用。光子的各種基本過程，包括發射、吸收、散射或者原子之間的交換作用，都用圖示法進行了詳細的描述和刻畫。本文介紹了多種不同的理論方法，包括：微擾法，豫解法，主方程法，郎之萬方程法，光學布洛赫方程法，原子光子綴飾態法。每種方法都自洽地描述，讀者可以單章獨立閱讀。通過對一些簡單和重要物理現象的分析，對各種方法的優勢和局限性進行了詳細的闡述。
目錄
第 1章電動力學中的躍遷幾率幅 .......................1
1.1物理過程中的幾率幅 .....................1
1.2躍遷幾率幅的時間依賴關係 ............................3
1.2.1分立能級間的耦合 .......................3
1.2.2分立能級和連續譜之間的共振耦合 ...........................4
1.2.3連續譜內或連續譜之間的耦合 .........................5
1.3電動力學中的套用 ............................7
1.3.1庫侖規範下的哈密頓量 ............................7
1.3.2按電荷量 qα的冪次展開 .........................8
1.3.3按橫場的作用強度冪次展開 ....................8
1.3.4在粒子哈密頓中包含庫侖相互作用的優勢 ............................9
1.3.5躍遷幾率幅的圖示法 .................... 10
1.4補充材料：躍遷幾率幅的微擾計算 ——一些有用的公式 .......................... 12
1.4.1相互作用表象 ............................ 12
1.4.2躍遷幾率幅的微擾展開 ......................... 13
1.4.3躍遷幾率 .................... 17
1.5補充材料：用等效哈密頓量描述微擾效應 .................... 22
1.5.1序言和目標 ....................... 22
1.5.2方案的基本原理 ........................ 24
1.5.3確定等效哈密頓量 ..................... 25
1.5.4兩個相互作用系統的情況 ...................... 27
1.6補充材料：離散能級耦合到寬頻連續譜 ——一個簡單模型 ....................... 28
1.6.1模型的描述 ....................... 29
1.6.2系統的穩態：在新連續譜中追蹤離散態 ..................... 30
1.6.3模型的套用例子 ........................ 33
1.6.4推廣到更實際的連續譜 ——不通過離散化的哈密頓量對角化 ......... 39
第 2章光與原子相互作用一覽 ......................... 42
2.1輻射過程：一個新光子的產生 ........................... 42
2.1.1兩個離散態之間的自發輻射 ——原子激發態的輻射衰減 ............... 43
2.1.2連續譜和離散態之間的自發輻射 .................... 46
2.1.3離化連續譜中兩態之間的自發輻射 ——軔致輻射 ......................... 47
2.2吸收過程：一個光子的消失 ........................... 48
2.2.1兩個離散態之間的吸收 ......................... 48
2.2.2離散態和連續態之間的吸收 ........................... 49
2.2.3兩個離化連續態之間的吸收：逆軔致輻射 ........................... 51
2.2.4光場初態對吸收過程動力學的影響 ............................ 51
2.3散射過程：一個光子消失，另一個光子產生 ......................... 53
2.3.1散射振幅 ——圖示法 ........................... 53
2.3.2光子被原子或分子系統散射的不同類型 ..................... 55
2.3.3共振散射 .................... 58
2.4多光子過程：若干光子的產生或者消失 .................... 61
2.4.1雙光子自發輻射 ........................ 61
2.4.2兩個離散態之間的多光子吸收 (以及受激輻射) ............................ 62
2.4.3多光子電離 ....................... 64
2.4.4諧波產生 .................... 65
2.4.5多光子散射和準共振散射 ...................... 66
2.5輻射修正：光子輻射再吸收 (或吸收再輻射) ......................... 68
2.5.1自發輻射修正 ............................ 69
2.5.2受激輻射修正 ............................ 72
2.6交換光子誘導的相互作用 ..................... 74
2.6.1兩個帶電粒子間交換橫向光子：庫侖相互作用的一階修正 ............... 74
2.6.2兩個中性原子間的范德瓦爾斯相互作用 ..................... 76
2.7補充材料：光探測信號和關聯函式 ............................ 79
2.7.1原子型光探測器的簡單模型 ........................... 80
2.7.2激發幾率與關聯函式 .................... 81
2.7.3寬頻光探測 ....................... 86
2.7.4窄帶光探測 ....................... 88
目錄 XI
2.7.5雙光探測信號 ............................ 91
2.8補充材料：泡利 -菲爾茲表象下的輻射修正 ............................ 93
2.8.1泡利-菲爾茲變換 ....................... 94
2.8.2新表象下的可觀測量 .................... 97
2.8.3物理討論 ........................... 100
第 3章躍遷幾率幅的非微擾計算 ............................ 105
3.1演化算符和預解式 ..................... 106
3.1.1演化算符滿足的積分方程 .................... 106
3.1.2格林函式-傳播子 ..................... 106
3.1.3哈密頓量的預解式 ............................ 108
3.2微擾級數的形式化重組 ...................... 109
3.2.1解釋一個簡單模型的圖示法 ........................ 109
3.2.2使用投影算符的代數方法 .................... 111
3.2.3一些近似的介紹 ...................... 115
3.3案例研究 .................... 117
3.3.1原子激發態的演化 ............................ 117
3.3.2激發態原子自發輻射光的譜分布 ........................... 122
3.3.3系統離散能級和連續譜的非直接耦合：蘭姆位移的案例 ................ 127
3.3.4離散能級間的間接耦合：多光子躍遷 ....................... 132
3.4補充材料：預解式的解析性質 ........................ 137
3.4.1預解式在實軸外的解析性 .................... 137
3.4.2實軸上的奇點 ......................... 139
3.4.3預解式在解析延拓後的非穩態和奇點 ...................... 140
3.4.4圍道積分與對指數衰減的修正 ..................... 142
3.5補充材料：被原子散射的光子散射振幅的非微擾表達式 .......................... 143
3.5.1未擾動態之間的躍遷幾率幅 ........................ 144
3.5.2引入精確漸近態 ...................... 148
3.5.3精確漸近態之間的躍遷幾率幅 ..................... 150
3.6 補充材料：耦合到有限頻寬連續譜的離散態 ——從魏斯考夫-維格納指數衰減到拉比振盪 ......................... 154
3.6.1引子 ........................ 154
3.6.2模型描述 ........................... 155
3.6.3重要物理參量 ......................... 158
3.6.4圖像討論 ........................... 160
3.6.5弱耦合極限 ..................... 162
3.6.6中度耦合以及臨界耦合 ....................... 163
3.6.7強耦合 ..................... 164
第 4章被當作熱庫的輻射：粒子主方程 ..................... 167
4.1引子與綜述 ......................... 167
4.2推導與熱庫 R相互作用的小系統 A的主方程 ........................... 169
4.2.1相互作用表象下的小系統演化方程 ......................... 169
4.2.2關於熱庫的假設 ...................... 170
4.2.3小系統的粗粒化變化率的微擾計算 ......................... 173
4.2.4能量態基底下的主方程 ....................... 175
4.3主方程的物理內涵 ..................... 177
4.3.1布居數的演化 ......................... 177
4.3.2相干項的演化 ......................... 179
4.4近似的討論 ......................... 180
4.4.1 A演化時間的量級 .................... 180
4.4.2存在兩個時間尺度的條件 .................... 181
4.4.3微擾展開成立的條件 ........................... 181
4.4.4 t時刻整體密度算符的因式化 ...................... 181
4.4.5小結 ........................ 182
4.5套用到與輻射場耦合的二能級原子 ........................ 183
4.5.1內部自由度演化 ...................... 183
4.5.2原子速度的演化 ...................... 188
4.6補充材料：漲落與線性回響在輻射過程中的套用 ........................ 196
4.6.1統計函式和主方程的物理詮釋 ..................... 196
4.6.2套用到輻射過程 ...................... 203
4.7補充材料：阻尼諧振子的主方程 .................... 209
4.7.1物理系統 ........................... 209
4.7.2主方程的算符形式 ............................ 210
4.7.3 HA基底上的主方程 ............................ 212
4.7.4在相干態基底下的主方程 .................... 214
目錄 XIII
4.8補充材料：簡單物理系統的量子朗之萬方程 ....................... 217
4.8.1經典布朗運動理論綜述 ....................... 218
4.8.2阻尼諧振子的海森伯-朗之萬方程 ............................ 222
第 5章光學布洛赫方程 ............................ 230
5.1二能級原子的光學布洛赫方程 ....................... 231
5.1.1入射場的描述 ......................... 231
5.1.2獨立變化率近似 ...................... 231
5.1.3旋轉波近似 ..................... 233
5.1.4贗自旋 1/2系統的幾何表示法 ..................... 235
5.2物理討論 ——布洛赫方程與其他演化方程的不同 ..................... 237
5.2.1與弛豫方程的不同：布居項和相干項之間的耦合 .......................... 237
5.2.2與哈密頓演化方程的不同 .................... 238
5.2.3與海森伯-朗之萬方程的不同 ....................... 238
5.3第一個套用 ——原子平均值的演化 ...................... 239
5.3.1內部自由度 ..................... 239
5.3.2外部自由度與平均輻射力 .................... 241
5.4原子輻射光的性質 ..................... 247
5.4.1光探測信號：輻射偶極矩的單時和雙時平均值 .......................... 247
5.4.2輻射光的總光強 ...................... 249
5.4.3穩態下散射光的譜分布 ....................... 251
5.5補充材料：布洛赫 -朗之萬方程和量子回歸定理 ........................... 253
5.5.1原子和場的耦合海森伯方程 ........................ 253
5.5.2海森伯-朗之萬方程的推導 ........................... 257
5.5.3朗之萬力的性質 ...................... 260
第 6章綴飾態原子方法 ............................ 266
6.1引言：綴飾態原子 ..................... 266
6.2綴飾態原子的能級結構 ...................... 267
6.2.1雷射束的模型 ......................... 267
6.2.2原子加雷射場總系統的非耦合態 ........................... 268
6.2.3原子-雷射耦合 ........................ 269
6.2.4綴飾態 ..................... 271
6.2.5吸收和受激輻射的物理效應 ........................ 272
6.3綴飾態共振螢光的級聯輻射詮釋 .................... 272
6.3.1相關時間尺度 ......................... 273
6.3.2未耦合基矢的級聯輻射 ....................... 273
6.3.3綴飾態基矢下的級聯輻射 .................... 275
6.4綴飾態原子的主方程 ......................... 278
6.4.1主方程的一般形式 ............................ 278
6.4.2久期極限下綴飾態基底上的主方程 ......................... 279
6.4.3級聯輻射的準穩態 ............................ 284
6.5若干套用的討論 ........................... 285
6.5.1螢光三重態各分量的寬度和權重 ........................... 285
6.5.2弱探測光的吸收譜 ............................ 289
6.5.3光子關聯 ........................... 292
6.5.4偶極力 ..................... 297
6.6補充材料：射頻波段中的綴飾態原子 ...................... 301
6.6.1能級交叉或反交叉有關的共振 ..................... 301
6.6.2射頻光子綴飾的自旋 21 系統 ....................... 306
6.6.3圓偏振光子的簡單案例 ....................... 309
6.6.4線偏振的射頻光子 ............................ 314
6.7補充材料：雷射場存在時的碰撞過程 ...................... 321
6.7.1無雷射場激發時的碰撞弛豫 ........................ 322
6.7.2存在雷射場輻射時的碰撞弛豫 ..................... 324
6.7.3碰撞誘導的原子輻射和光吸收的修正：碰撞再分布 ....................... 328
6.7.4碰撞轉移率的計算方案 ....................... 334
習題集 .................... 337
習題 1原子激發態輻射壽命計算：與經典偶極矩阻尼時間的比較 .................. 337
習題 2被囚禁離子的光子自發輻射：蘭姆 -迪克效應 ......................... 339
習題 3瑞利散射 ....................... 343
習題 4湯姆孫散射 .................... 346
習題 5共振散射 ....................... 348
習題 6原子的兩個激發態之間能級交叉的光學探測 ......................... 351
習題 7原子能級的輻射位移：蘭姆位移的貝特公式 ........................... 354
目錄 XV
習題 8軔致輻射：勢場內彈性散射的輻射修正 ......................... 362
習題 9低頻軔致輻射：紅外災難的非微擾處理 ......................... 369
習題 10與輻射場相互作用導致的粒子迴旋頻率修正 ........................ 375
習題 11自旋之間的磁相互作用 ............................ 380
習題 12由磁場真空漲落耦合導致的原子磁矩修正 ............................ 385
習題 13波包引起的原子激發：寬頻激發和窄帶激發 ........................ 388
習題 14近鄰雙原子系統的自發輻射：超輻射和亞輻射 ..................... 391
習題 15簡諧振子的級聯輻射 ............................ 394
習題 16細緻平衡原理 ..................... 399
習題 17處在相干態的量子場與外場的等價性 ........................... 401
習題 18相干項的絕熱消除以及從光學布洛赫方程到弛豫方程的變換 ............ 404
習題 19二能級原子系綜的非線性極化率及若干套用 ........................ 406
習題 20與強光作用的原子對探測光的吸收：飽和吸收的套用 ....................... 409
附錄庫侖規範下的量子電動力學 ——必要結果匯總 .................... 419
附錄 1電磁場的描述 ....................... 419
附錄 2粒子 ...................... 425
附錄 3庫侖規範中的哈密頓量和動力學 ....................... 425
附錄 4狀態空間 ....................... 428
附錄 5長波近似和電偶極表象 .................... 429
參考文獻 ........................ 433
索引 ....................... 435
