铯原子永久电偶极矩研究

铯原子永久电偶极矩研究 A ct a S i nica Q u ant u m O pt ica () 文章编号 : 1007 - 6654 200104 - 0139 - 03 铯原子永久电偶极矩研究 1 2 黄湘友,游佩林 ()1 . 北京大学 物理系 ,北京 100871 ; 2 . 湛江海洋大学 基础科学系 ,广东 湛江 524025 摘要 : 从理论方面和实验方面论述 ,铯原子可能有大的永久电偶极矩 。 关键词 : 铯原子 ; 永久电偶极矩 ; 电容 中图分类号 : O431 文献标识码 : A 子从经典力学的观点看 ,电子绕核作椭圆运动是有 0 引言 永久电偶极矩的 。在轨道平面内通过原子核作一条 一般认为 ,电子 、中子等基本粒子以及处在基态 与椭圆长轴垂直的直线 ,此直线将椭圆分成大小不 的原子都没有永久电偶极矩 。自上世纪五十年代以 同的两部分 。在大的部分 , 电子与原子核的距离 r 后 ,出于为 CP 不孚恒或 T 反演对称性破坏寻找新 平均较大 ,且由于面积速度孚恒电子停留时间较长 的实验事实的目的 ,对中子 、电子和原子永久电偶极 在小的部分 , r 平均较小且电子停留时间较短 。因 矩的研究陆续有文章发 。对原子体系的研究具体 此 ,电子在椭圆轨道上运动的平均电偶极矩不为零 1 ,2 3 地测量了汞、铊和铯原子的永久电偶极矩 ,其 这不为零的电偶极矩就是原子的永久电偶极矩 。用 - 28- 24值分别为 1 . 06 ×10 ecm ,1 . 05 ×10 ecm 和 1 . 05 量子力学计算氢原子的一级斯塔克效应也表明 ,处 - 26×10 ecm ,其中 e 为电子电荷 。这些测量的目的 在激发态的氢原子似乎有 ea 量极的永久电偶极矩 , 在于想由此推算电子的永久电偶极矩 。 5 其中 a 为玻尔半径。 5 对原子体系的永久电偶极矩 ,文献作了解说 。 ? 考查氢 原 子 中 外 层 轨 道 上 的 一 个 电 子 , 用 R 当空间反演算符与哈密顿算符互相对易时 ,可选择 具有确定孙称的态作为能量本征态 。对这样的态 ,原 子没有永久电偶极矩 。弱相互作用是个例外 ,但它充 - 20( E,( ) α) l l + 1h, m h, <,, t - t 记它的经典量 其量能引起一个小于 e ×10 cm ,的永久电偶极矩 。 n 0 0 ? ) ( 子化 轨 道 , 式 中 E, l l + 1h, m h为 电 子 的 能 n Ψ Ψ Ψ对具有确定孙称的态 | > , 虽然 < | r| 量 ,总角动量及角动量的第三分量 。记轨道平面与 > = 0 , 在坚持一个波函数只描述系综的观点的人 ξξ XO Y 平面的交线为 O, 则 <为 O与 O X 轴 的 夹 0 看来 ,这只意味着系综中的平均电偶极矩为零 ,单个 ξα角 ,而为电子的远日点径矢与 O的夹角 。t 为电 0 原子仍可能有永久电偶极矩 。最典型的例子是氢原 α子通过远日点的时刻 。三个参数 , <, t 表示了保 0 0 持能量和角动量不变情况下的所有可能轨道 。函数 收稿日期 : 2001 - 08 - 11 () 基金项目 : 国家自然科学基金 19774007 () 作者简介 : 黄湘友 1938 - ,湖南郴州人 ,北京大学物理系教授 。 点电 子 的 瞬 时 空 间 分 布 。当 n , l 较 大 时 已 经 证 6 。 明 ?2Ψ( ) | r| nl m π T 2π 1 1 1 d t d <= 0 0 ?π?π? T20 00 ? ? δα( ( ( ) α) )d?r - R E,l l + 1, m , <,, t - t hh n 0 0 式中 T 为电子椭圆轨道运动的周期 。这关系式表 ? ? ? 2 ΨΨΨ( ) τ 明 , > = 0 即r| r| d=< | r| nl m nl mnl m ? 0 是由于各种不同轨道的电偶极矩平均的结果 。 上述讨论使我们想到 ,具有类氢原子特点的碱 金属原子可能具有永久电偶极矩 ,于是就引出了下 面的实验 。 1 实验 我们首先用铯原子做了实验 。铯原子外围有一 个 6 S 电子 ,它在初级近似下象氢原子中的高轨道电 子一样绕 原 子 实 运 动 , 铯 原 子 可 能 有 ea = 5 . 29 × 图 1 装有铯材料的圆柱形电容器 - 9 () 铯特别容易被氧化。然后还继续抽真空并10 ecm 量级的永久电偶极矩 。如果这推测属实的 () 温至室温 35 ?- 36 ?。充铯前先测出圆柱 话 ,这电偶极矩用普通电学就可测量 。 器的电容量得 C= 146 . 2pf 。下一步用小磁 0 实验用的装铯样品的容器如图 1 所示 。该容器 铯的密封容器打破 ,用火焰将铯样品加热 ,使 是一个带夹层空隙的玻璃圆筒 ,图 1 所示为该圆筒 铯蒸气形成的液滴落入图 1 所示的容器内 的纵剖面图 。少量金属铯置于夹层空间的底部 。铯 ( ) 点 27 ?。撤 去 火 焰 再 继 续 抽 真 空 , 真 空 样品的纯度为 0 . 9998 。 ( 圆筒的内表面 A 和外表面 B 都镀一层银 但底 - 6 ) 部装铯处的表面 B 不镀银,构成一个同轴的圆柱形 10 mm Hg 时将容器封死 ,得到图 1 所示的 电 容 器 。圆 筒 的 内 径 和 外 径 分 别 为 58 mm 和 器 。在室温测量充铯后圆柱 形 电 容 器 的 电 75 mm ,圆 柱 电 容 器 高 350 mm , 夹 层 空 隙 的 间 距 为 C= 198 . 4pf 。这说明充铯前后电容器的电 1 ) ( 4 mm 至 5 mm 玻璃加工难于做得准确一致。我们 明显的变化 。这一结果是令人惊奇的 ,这说 的实验就是测这圆柱形电容器的电容量在夹层充铯 子有明显的电学极性即有永久电偶极矩 。由 蒸气前后的差别 。电容的测量用数字电容仪 ,测量 子基态能级之上的第一激发能级就远高于 精度为 0 . 1pf 。 KT ,因此可以认为所测得的电容量变化全来 买来的密封的铯样品与一个外层包有玻璃的小 铯原子的贡献 。 磁锤一起放在一个玻璃管内 ,这玻璃管与图 1 所示 的容器连通后抽真空 。在 200 ?时维持真空度小于 - 6 10 mm Hg 数小时以去除附着在容器内壁上的氧气 2 讨论 2 . 1 作为单质的铯在电容器夹层中有三种 ( ) () 在的方式 : a铯蒸气 。b以小斑点附着在 () c吸附在器壁上的铯原子 。由于外场可影响外层 在其实验视野之外 。 电子的轨道取向 ,这部份原子对电容量变化也有贡 2 . 3 本实验对原子永久电偶极矩的检测是直接的 , 献 。由于有这部份原子 ,我们难于用蒸气压来估算 它不涉及原子内部状态的变化 ,也无需额外的复杂 对极化有贡献的铯原子数和估算铯原子永久电偶极 理论 。它的缺点是对原子缺乏识别力 。如何知道电 矩的大小 。 容量的变化就来自铯原子的贡献 ? 是否有可能来自 别的化合物 ? 请教了化学专家 ,认为可能的化合物 2 . 2 如果铯原子有如此明显的永久电偶极矩 ,为何 有 CsO ,CsSiO,CSS IO以及 CsBO等 ,它们都 由斯塔克频移等光学方法未能发现 ? 这要具体实验 2 2 3 2 2 5 24 7 固定在玻璃表层内 。充铯后电容量的增加 ,特别是 具体 。值得指出 ,斯塔克频移测的是末态与初 升高和降低温度时电容量增大的减少的变化不会来 态原子永久电偶极矩之差 。另外由于原子热运动的 自这些化合物 。 退极化作用 , 使介质在外场 中 的 极 化 能 密 度 较 小 。 2 . 4 用电容方法测铯原子蒸气介电性这样的实验 光束中一个波长线度内就包含大量的原子 ,平均每 是否可能已有人做过 ? 这种可能性当然存在 ,但我 一个原子的极化能非常小 。至于文献 4 的实验 ,它 们没有查到有关的文献资料 。因此 ,将我们的实验 认为永久电偶极矩在外场中将使铯原子产生拉摩进 情况加以报道是值得的 。 动 。按传统观念估计 , 这进动非常之小 。它集中于 作者衷心感谢董太乾教授对本工作的大力帮助 。 参考文献 : 1 ROMAL IS M V , GR IF F I T H W C , J ACOBS J P , FOR TSON E N . New Limit o n t he Permanent Elect ric Dpi ole Mo ment of Hg J . Phys Rev L et t , 2001 , 86 : 2505 . 2 J ACOBS J P , KL IPS T EIN W M , L AMOR EAU X S K , HEC KEL B R , FOR TSON E N . Limit o n t he Elect ric - dpi ole mo ment of Hg U sing Synchro nous Op tical Pumping J . Phys Rev , 1995 , A52 : 3521 . 3 COMM IN S E D , ROSS S B , D EM ILL E D , R E GAN B C. Imp roved Experimental Limit o n t he Elect ric Dipole Mo ment of t he Elect ro n J . Phys Rev , 1994 , A50 : 2960 . 4 MU R T H Y S A , KRAU SE D , L I Z L , HU N T ER L R. New Limit s o n t he Elect ro n Elect ric Dipole Mo ment f ro m Cesium J . Phys Rev L et t , 1989 , 63 : 965 . 5 SCHIF F L I. Quant um Mechanics M . New Yor k ; Mc Graw - Hill , 1968 , 253 . 6 黄湘友 . 氢原子的经典极限分析 J . 物理学报 , 1991 , 40 : 1553 . 李兆霖 . 原子物理中时间反演对称性成立吗 J . 物理 , 1991 , 20 : 563 . 7 The Study on the Permanent Electric Dipole Moment of Cs Atom 1 2HUAN G Xiang - yo u, YOU Pei - lin ( 1 . Depa rt ment of Physics , Peki n g U ni versi ty , Bei ji n g 100871 , Chi n a ; 2 . Depa rt ment of Physics , Zhanji ang )Ocean U ni versi ty , Zhanji ang 524025 , Chi n a Abstract : It is expo unded t hat a Cs ato m may have large per manent elect ric dipole mo ment . Key words : Cs ato m ; per manent elect ric dipole mo ment ; capacitance