Autoreferat (w języku polskim)

Transkrypt

1 Załacznik nr 2 do wniosku o przeprowadzenie przewodu habilitacyjnego Autoreferat (w języku polskim) 1. Imię i nazwisko Bogusław Furmann 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe mgr fizyki - dr fizyki - Wydział Matematyki i Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, 1981r Tytuł pracy: "Poszerzenie widmowe impulsów pikosekundowych w ośrodkach skondensowanych" Promotor prof. dr hab. Franciszek Kaczmarek (dyplom z wyróżnieniem) Wydział Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, 1999r Tytuł rozprawy: "Identyfikacja poziomów elektronowych atomu i jonu prazeodymu na podstawie analizy struktury nadsubtelnej" Promotor prof. dr hab. Jerzy Dembczyński (praca obroniona z wyróżnieniem) 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Specjalista Centralny Ośrodek Badawczo Rozwojowy Aparatury Badawczej i Dydaktycznej o. Poznań Starszy asystent Instytut Fizyki Molekularnej PAN Asystent Wydział Fizyki Technicznej, Politechniki Poznańskiej Adiunkt Od Starszy Wykładowca

2 Spis treści 1,2,3. Dane osobowe 1 4. Wskazanie osiagnięcia stanowiacego podstawę postępowania habilitacyjnego 3 4a. Wykaz prac stanowiących jednotematyczny cykl publikacji b. Omówienie celu naukowego/artystycznego w.w. pracy/prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania Wstęp H01 - New levels and hyperfine structure evaluation in neutral praseodymium H02 - Hyperfine structure analysis odd configurations levels in neutral lanthanum H03 i H04 - Hyperfine structure in La II odd (even) configuration levels H05 i H06 - Experimental investigations of the hyperfine structure in neutral La: odd (even) parity levels H07 - Critical analysis of the methods of interpretation in the hyperfine structure of free atoms and ions: H08 - Isotope shift and hyperfine structure in even configurations of neutral europium.. 11 H09 - Experimental determination of core relaxation and screening effects on the wavefunction at a nucleus H10 - Hyperfine structure and isotope shift measurements of unclassified lines in Eu II and new determination of the partition function H11-6s electron screening in isotope shifts of configurations 4f 7 5d6s, 4f 7 6s6d and 4f 7 6s7d in europium Podsumowanie c. Informacja o pozostałych osiągnięciach naukowo-badawczych d. Plany naukowe na przyszłość Bibliografia

3 4. Wskazanie osiagnięcia stanowiacego podstawę postępowania habilitacyjnego Jako osiągnięcie naukowe wynikające z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) wskazuję jednotematyczny cykl publikacji pt. Eksperymentalne wyznaczanie energii, struktury nadsubtelnej i przesunięć izotopowych poziomów elektronowych jako klucz do analizy efektów ekranowania elektronów zewnętrznych, relaksacji rdzenia i obliczania funkcji rozkładu energii w atomach lekkich lantanowców. 4a. Wykaz prac stanowiacych jednotematyczny cykl publikacji. H01 B. Furmann, A. Krzykowski, D. Stefańska and J. Dembczyński. Physica Scripta 74 (6), (2006). New levels and hyperfine structure evaluation in neutral praseodymium. H02 B. Furmann, D. Stefańska and J. Dembczyński. Physica Scripta 76 (3), (2007). Hyperfine structure analysis odd configurations levels in neutral lanthanum I. Experimental. H03 B. Furmann, J. Ruczkowski, D. Stefańska, M. Elantkowska and J. Dembczyński. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 41 (21), (8pp) (2008). Hyperfine structure in La II odd configuration levels. H04 B. Furmann, M. Elantkowska, D. Stefańska, J. Ruczkowski and J. Dembczyński. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 41 (23), (9pp) (2008). Hyperfine structure in La II even configuration levels. H05 B. Furmann, D. Stefańska and J. Dembczyński. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (17), (18pp) (2009). Experimental investigations of the hyperfine structure in neutral La:I. odd parity levels. H06 B. Furmann, D. Stefańska and J. Dembczyński. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 43 (1), (8pp) (2010). Experimental investigations of the hyperfine structure in neutral La:II. even parity levels. H07 J. Dembczyński, M. Elantkowska, B. Furmann, J. Ruczkowski and D. Stefańska. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 43 (6), (20pp) (2010). Critical analysis of the methods of interpretation in the hyperfine structure of free atoms H08 and ions: case of the model space (5d+6s) 3 of the lanthanum atom. B. Furmann and D. Stefańska. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 44 (22) (15pp) (2011). Isotope shift and hyperfine structure in even configurations of neutral europium. H09 B. Furmann and D. Stefańska. European Physical Journal: Special Topics 222 (9), (2013). Experimental determination of core relaxation and screening effects on the wavefunction at a nucleus for stable isotopes of - 151,153 Eu II. H10 H11 B. Furmann and D. Stefańska. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 46 (23), (8pp) (2013). Hyperfine structure and isotope shift measurements of unclassified lines in Eu II and new determination of the partition function. B. Furmann and D. Stefańska. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 47 (8), (7pp) (2014). 6s electron screening in isotope shifts of configurations 4f 7 5d6s, 4f 7 6s6d and 4f 7 6s7d in europium.

4 4b. Omówienie celu naukowego/artystycznego w.w. pracy/prac i osiagniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania Wstęp Podstawowym celem naukowym prac opisanych w cyklu publikacji było uzyskanie (przez wykonanie precyzyjnych pomiarów spektroskopowych) informacji pozwalających rozszerzyć wiedzę na temat oddziaływań w atomach lantanowców oraz próba opisu wyników eksperymentalnych z wykorzystaniem istniejących metod analizy oddziaływań w atomie złożonym, zarówno semiempirycznych jak i ab initio. Dodatkowy cel stanowiło ustalenie wartości energii i innych parametrów poziomów elektronowych o unikalnych właściwościach, możliwych do wykorzystania w eksperymentach z zakresu optyki kwantowej, chłodzenia laserowego i testowania zmian w czasie stałej struktury subtelnej. Celem prac było również obliczenie funkcji rozkładu energii poziomów elektronowych jonów lantanowców, wykorzystywanej w astrofizyce do określania zawartości poszczególnych pierwiastków w obiektach kosmicznych oraz uzyskanie informacji pozwalających przewidywać, na podstawie właściwości jonów swobodnych, zachowanie się jonów lantanowców po umieszczeniu ich w matrycy krystalicznej. Zarówno w wymiarze historycznym jak i współczesnym jedną z podstawowych metod badania oddziaływań w atomie jest analiza właściwości układu poziomów elektronowych. Ponieważ każdy typ oddziaływania w atomie powoduje albo przesunięcie energii poziomu, albo jego rozszczepienie na podpoziomy, wyniki doświadczalne zawierające dokładne pomiary poziomów atomów swobodnych stanowią podstawę do testowania i ewentualnej modyfikacji opisu atomu. Sformułowana przez Slatera i Condona [1 3] i następnie rozwijana teoria budowy atomu przewiduje, że wartość energii poziomów elektronowych może być wyrażona za pomocą kombinacji liniowej iloczynów współczynników kątowych, które można obliczyć w sposób ścisły oraz parametrów (tzw. całek radialnych) opisujących wielkość poszczególnych rodzajów oddziaływań między elektronami należącymi do tych samych lub innych konfiguracji elektronowych. Podobnie można sparametryzować wyznaczane eksperymentalnie stałe struktury nadsubtelnej oraz przesunięcie izotopowe. Istotne jest, że ponieważ z danym poziomem elektronowym związana jest konkretna funkcja falowa, parametryzacja wszystkich powyższych wielkości nie jest niezależna od siebie. Całki radialne struktury subtelnej występujące w parametryzacji energii, całki jednoelektronowe struktury nadsubtelnej oraz parametry jednokonfiguracyjne przesunięć izotopowych można obliczać ab initio wykorzystując programy komputerowe rozwiązujące równanie Schrödingera lub równanie Diraca w wielokonfiguracyjnym przybliżeniu pola centralnego (MCHF lub MCDF) [4 6] lub dopasowywać semiempirycznie na podstawie wyników eksperymentalnych [7]. Zgodność rezultatów uzyskiwanych w obu powyższych metodach jest na ogół zadowalająca dla lekkich atomów, natomiast znacznie gorsza dla atomów ciężkich, w szczególności lantanowców, które są przedmiotem mojej pracy. W przypadku atomów lantanowców, wartość poszczególnych parametrów oddziaływań zarówno subtelnych jak i nadsubtelnych, zgodnie z teorią, powinna wynikać z położenia danego pierwiastka w szeregu [8, 9]. Powyższy fakt jest związany z tym, że konfiguracje elektronowe atomów lantanowców różnią się głównie liczbą elektronów 4f wypełniających wewnętrzną studnię potencjału jądra. W miarę wzrostu liczby elektronów 4f rośnie ekranowanie zewnętrznych orbitali elektronowych co ma swoje odbicie np. w monotonicznie malejących ze wzrostem liczby atomowej całkach oddziaływania nadsubtelnego elektronu 6s. W początkowym okresie badań oddziaływań w atomach lantanowców 4

5 do testowania powyższych relacji wykorzystywano właściwości znanych wówczas nisko położonych w skali energii poziomów elektronowych. Dla tych poziomów są one dość dobrze spełnione. Jednak powyższe poziomy umożliwiają klasyfikację tylko niewielkiego procenta z obserwowanych linii widmowych. Stanowią zatem niewielki procent rzeczywiście istniejących poziomów elektronowych. W miarę dodawania nowych poziomów wyznaczanych eksperymentalnie okazało się, że całki radialne wynikające z obliczeń ab initio dają wartości energii poziomów niezgodne z eksperymentalnymi i na odwrót, stosowanie w obliczeniach semiempirycznych wartości znanych z eksperymentu prowadzi w przypadku różnych pierwiastków do całek radialnych niezgodnych z prawidłowościami charakterystycznymi dla całego szeregu lantanowców. Źródła tej niezgodności należy szukać albo w niewłaściwym przypisaniu poziomów do konfiguracji elektronowych, albo w niewłaściwym doborze konfiguracji bazy albo wreszcie w istnieniu nieuwzględnionych w obliczeniach oddziaływań. Niezależnie od przyczyn wydaje się, że jedyną metodą prowadzącą do rozwiązania powyższej niezgodności jest uzyskanie i interpretacja nowych wyników doświadczalnych. Przedmiotem mojej pracy doktorskiej była identyfikacja poziomów elektronowych atomu i jonu prazeodymu na podstawie analizy struktury nadsubtelnej. W ramach pracy wykonałem pomiary struktury nadsubtelnej kilkudziesięciu niesklasyfikowanych linii widmowych prazeodymu metodą laserowo indukowanej fluorescencji. Na podstawie zarejestrowanych widm obliczyłem stałe A i B struktury nadsubtelnej i liczby kwantowe J poziomu dolnego i górnego. W powiązaniu z uzyskaną z eksperymentu informacją na temat kanałów fluorescencji, część linii udało mi się sklasyfikować, to znaczy wyznaczyć parametry nowych poziomów elektronowych. Mimo, że praca została oceniona na bardzo dobry i wyróżniona, po jej ukończeniu, zdałem sobie sprawę z ograniczeń stosowanej przeze mnie metody (części linii mimo starannych pomiarów nie udało się sklasyfikować). Linie te albo stanowiły przejścia, w których ani górnego ani dolnego poziomu nie można było utożsamić z żadnym znanym poziomem w atomie lub jonie prazeodymu albo otrzymane wartości eksperymentalne były w granicach niepewności pomiarowej zgodne z więcej niż jedną wartością z bazy. Jednocześnie zarówno krótkoterminowy staż naukowy odbyty na Uniwersytecie Bundeswehry w Hamburgu, w czasie którego uczestniczyłem w podobnych badaniach, jak i wyniki wstępnych obliczeń semiempirycznych wykonywanych przez prof. J. Dembczyńskiego uświadomiły mi, że niezidentyfikowanych poziomów elektronowych w prazeodymie jest prawdopodobnie bardzo dużo i rozwiązanie problemów przedstawionych na wstępie wymaga kontynuacji badań i takiej modyfikacji ich metodyki, która zapewni sukces również w przypadku klasyfikacji linii widmowych zawierających dwa (dolny i górny) nowe poziomy. To ostatnie wymaganie wynika z tego, że na podstawie przewidywanego opisu spektroskopowego, prawdopodobieństwa przejść między dwoma nieznanymi (a przewidywanymi teoretycznie) poziomami elektronowymi są najczęściej większe, niż prawdopodobieństwa przejść między poziomami znanymi i nieznanymi. Jest to sytuacja typowa dla wszystkich lantanowców i stanowi zasadniczą przyczynę braku wyników doświadczalnych dla powyższych poziomów. W rozwiązaniu zagadnienia pomógł mi fakt, że mniej więcej w tym czasie nasza Katedra otrzymała stare, nieużywane już stabilizowane lasery przestrajalne Cr firmy Coherent z Centrum Badań Jądrowych w Karlsruhe. Lasery te co prawda już wówczas wykazywały duże ślady zużycia, ale dzięki współpracy z dr Danutą Stefańską i innymi członkami grupy udało się dokonać takich adaptacji, które umożliwiły ich wykorzystanie w badaniach spektroskopowych w ciągu następnych kilkunastu lat. W ten sposób pojawiła się możliwość rozszerzenia badań na większy zakres widmowy. Pomysł na metodykę pomiarów zmierzających do klasyfikacji linii między dwoma nieznanymi poziomami polegał na wykonywaniu pomiarów struktury nadsubtelnej linii obserwowanych 5

6 wcześniej jako kanały fluorescencji linii niesklasyfikowanej, aż do momentu, gdy zaobserwowana została przynajmniej jedna linia z dolnym poziomem znanym. Oczywiście realizacja eksperymentalna tego pomysłu, z uwagi na bardzo małe przewidywane natężenie linii stanowiących takie przejścia, wymagała optymalizacji wszystkich elementów układu. Duży problem stanowiła konieczność bardzo powolnego przestrajania lasera przez obszar linii widmowej (co znacznie poprawia stosunek sygnału laserowo indukowanej fluorescencji do szumu) w powiązaniu z niejednokrotnie wymaganą dużą szerokością skanu, przekraczającą 40GHz. W oryginalnej wersji lasera Coherent taka szerokość skanu w ogóle nie była dostępna. Dzięki wspomnianym adaptacjom udało się ją uzyskać, aczkolwiek zużycie elementów mechanicznych i optycznych laserów powodowało przeskoki modów i konieczność wielokrotnego powtarzania pomiarów, mimo wyposażenia lasera w układ zewnętrznej stabilizacji. Praktyczne zastosowanie opracowanych metod umożliwiło określenie energii kilkudziesięciu poziomów elektronowych jonu prazeodymu. Wyniki opublikowaliśmy w ramach 3 prac w czasopismach indeksowanych w JCR [10 12]. To powodzenie zachęciło mnie do rozszerzenia podobnych badań na inne atomy i jony lantanowców. W latach dokonałem pomiarów i określiłem wartości energii i stałych struktury nadsubtelnej dla kilkudziesięciu nowych poziomów jonów i atomów lantanu i europu. W 2008 roku opisałem uzyskane wyniki w monografii [13] i przedstawiłem ją Radzie Wydziału Fizyki UAM, która wszczęła mój przewód habilitacyjny. Prawdopodobnie w związku z niewielką do roku 2008 liczbą cytowań moich publikacji, mimo przewagi głosów na tak w głosowaniu na Radzie Wydziału, nie zostałem dopuszczony do kolokwium habilitacyjnego (spora część członków Rady wstrzymała się od głosu). Następne lata pokazały, że ograniczona liczba cytowań, w krótkim czasie po ukazaniu się moich prac, wynikała ze specyfiki badań. Najbardziej zainteresowanymi wynikami tego typu badań są grupy realizujące podobny eksperyment (ponieważ eksperyment jest dosyć trudny technicznie, realizacja wraz z opublikowaniem wyników i ewentualnym cytowaniem wymaga kilku lat) oraz teoretycy zajmujący się teorią oddziaływań w atomie. Powstanie prac teoretycznych, w szczególności wykorzystujących metodę semiempiryczną, jest możliwe dopiero po zgromadzeniu większej liczby danych pomiarowych. Opinię taką potwierdził fakt, że liczba cytowań w następnych latach zaczęła dość dynamicznie rosnąć. W tej sytuacji uznałem, że jednak warto prowadzić dalsze badania w podobnym kierunku, ewentualnie rozszerzając ich zakres. Tym bardziej, że pojawiły się nowe perspektywy zastosowań wyników, wynikające ze współcześnie prowadzonych badań w różnych dyscyplinach. Pierwszym takim potencjalnym zastosowaniem może być chłodzenie laserowe. Jeszcze do niedawna wydawało się, że chłodzenie laserowe w jonach (atomach) lantanowców będzie bardzo skomplikowane technicznie. Wynika to z faktu, że w zasadzie optymalnym układem do chłodzenia laserowego jest układ dwupoziomowy. Obecność przejść konkurencyjnych do przejścia chłodzącego znacznie pogarsza efektywność chłodzenia (konieczne jest stosowanie tzw. laserów repompujących). Ponieważ poziomów elektronowych w lantanowcach jest bardzo dużo, więc zawsze istnieją przejścia konkurencyjne. Postęp w konstrukcji pułapek magnetooptycznych od roku 2006 [14] w powiązaniu z wykorzystaniem magnetycznych właściwości lantanowców umożliwił zatrzymanie atomów w pułapce na tyle długo, że możliwe jest ponowne obsadzenie, na skutek procesu relaksacji, dolnego poziomu przejścia chłodzącego, zanim atom ucieknie z pułapki. Określenie, które z przejść w atomach lantanowców nadają się do chłodzenia tą metodą (tzw. przejścia cykliczne) wymaga znajomości wszystkich poziomów leżących poniżej górnego poziomu danego przejścia. Drugim technicznym zastosowaniem wyników, na które zwrócił uwagę Oppel [15], jest użycie komórki z parami lantanowców jako wzorca częstotliwości w eksperymentach wymagających bardzo precyzyjnego dostrojenia lasera do badanych przejść optycznych. Dostrojenie lasera do linii (np w 6

7 zegarach atomowych, chłodzeniu laserowym, optycznie indukowanej przezroczystości itp.) najczęściej jest realizowane przez dostrojenie do wzorca a następnie przesunięcie częstotliwości za pomocą modulatora akustooptycznego. Niestety górna granica częstotliwości modulatora jest ograniczona, a (pomijając lantanowce) nie zawsze można znaleźć odpowiednio blisko leżącą linię widmową mogącą służyć za wzorzec. Trzecie potencjalne zastosowanie wyników moich badań wiąże się z pomiarami zmian w czasie stałej struktury subtelnej. Możliwość takich zmian wprowadziła do fizyki teoria Kałuży-Kleina. Z współczesnych teorii unifikacji oddziaływań zmianę stałej α dopuszczają zarówno teorie, które wiążą stałe fizyczne z dodatkowymi "zwiniętymi" wymiarami wszechświata (teoria superstrun, M-teoria) jak i tensorowo-wektorowo-skalarna teoria Bekensteina. Doświadczalne badania zmian stałej α w czasie polegają na obserwacji przesunięć w liniach absorpcyjnych kwazarów, analizie rozpadu w naturalnym reaktorze Oklo lub badaniach laboratoryjnych przesunięć linii widmowych. Pierwsze laboratoryjne badania zmian w czasie stałej α były prowadzone na przejściach zegarowych [16, 17]. Niestety "czułość" przesunięcia przejść zegarowych ze względu na zmianę α, jest bardzo mała i mimo niezwykłej precyzji z jaką można mierzyć te przejścia, uzyskiwane wyniki są na granicy niepewności pomiarowej. W serii prac Angstmann i Dzuba [18] obliczyli "czułość" na zmianę α dla kilkunastu znanych poziomów elektronowych lantanowców, uzyskując wartości nawet o 4 rzędy wielkości większe niż w przejściach zegarowych. Obecnie prowadzone próby eksperymentów z zastosowaniem podobnych przejść w atomie dysprozu są bardziej obiecujące. [19]. Czwarte zastosowanie wyników jest związane z zagadnieniem wyznaczania zawartości pierwiastków w obiektach kosmicznych na podstawie zarejestrowanych linii widmowych i modelowania procesu ewolucji gwiazd. Podobnie jak to jest w przypadku szeregów rozpadu promieniotwórczego, poszczególne pierwiastki mogą należeć do różnych szeregów syntezy termojądrowej. Europ powstaje na skutek szybkiego wychwytu neutronu czyli procesu, w którym następny neutron jest dołączany do jądra przed przemianą poprzedniego w proton. Z kolei lantan jest produktem wolnego wychwytu. Warunki do szybkiego wychwytu występują w procesach wybuchowych (np. supernowa), podczas gdy wolny wychwyt jest charakterystyczny dla spokojnej nukleosyntezy. Dlatego standardowo badanie stosunku zawartości europu do lantanu jest wskaźnikiem do odtworzenia procesu ewolucji obiektu lub ewolucji obiektów, z których pierwotnie pochodzi materia tworząca obecnie dany obiekt [20]. Do wyznaczenia stosunku Eu/La niezbędna jest informacja na temat siły oscylatora zarejestrowanych linii widmowych oraz funkcja rozkładu energii na poziomy elektronowe (partition function). Dla obliczenia tej ostatniej kluczowe znaczenie ma informacja, ile poziomów elektronowych jest niezbędne do interpretacji wszystkich linii widmowych pierwiastka, co w naturalny sposób wynika z interpretacji uzyskanych przeze mnie wyników eksperymentalnych. W efekcie prac prowadzonych po roku 2008 powiększyłem swój dorobek o osiem publikacji w czasopismach indeksowanych w JCR. Siedem spośród tych publikacji wraz z czterema publikacjami z wcześniejszego okresu składa się na wskazane obecnie osiągnięcie naukowe. H01 - New levels and hyperfine structure evaluation in neutral praseodymium Praca stanowi podsumowanie wyników pomiarów struktury nadsubtelnej i działań zmierzających do określenia wartości energii oraz stałych struktury nadsubtelnej poziomów elektronowych w atomie prazeodymu. Na wstępie przedstawiono cel prowadzonych prac oraz właściwości atomu prazeodymu w kontekście zadania identyfikacji poziomów elektronowych. Linie widmowe atomu prazeodymu są 7

8 ułożone tak gęsto, że wszelkie metody spektroskopii klasycznej uniemożliwiające rozdzielenie linii leżących w tym samym obszarze widmowym, nie dają zadowalających rezultatów. Fakt ten zilustrowano rysunkiem przedstawiającym symulację komputerową, w której nałożono (wcześniej rozdzielone metodą laserowo indukowanej fluorescencji) widma struktury nadsubtelnej linii z przypadkowo wybranego przedziału widma o szerokości 1cm 1. Złożenie linii daje obraz, który byłby widoczny w spektrografie o ekstremalnie dużej zdolności rozdzielczej i udowadnia, że położenia linii nawet z użyciem tak precyzyjnego przyrządu spektralnego nie mogą być wyznaczone w sposób prawidłowy. Następnie dyskutowane są specyficzne różnice występujące przy identyfikacji linii należących do zjonizowanego i neutralnego atomu prazeodymu. W części eksperymentalnej opisano poszczególne elementy układu pomiarowego. W powszechnie stosowanej metodzie poszukiwania kanałów fluorescencji, z wykorzystaniem zjawiska laserowo indukowanej fluorescencji laser jest przestrajany precyzyjnie przez obszar linii widmowej i jednocześnie ręcznie jest przestrajany monochromator. Jak wynika z moich doświadczeń, prowadząc badania w ten sposób zazwyczaj można wyznaczyć tylko niewiele najsilniejszych kanałów fluorescencji. W związku z tym najczęściej pojawia się niejednoznaczność przy identyfikacji poziomów. Dlatego w drugiej fazie eksperymentu opisanego w pracy weryfikowano identyfikację przez poszukiwanie dodatkowych kanałów fluorecencji, obliczonych przy założeniu, że dany wariant identyfikacji jest słuszny. W przypadku linii między dwoma nieznanymi poziomami wykorzystano opisaną wyżej metodę badań uzupełniających polegającą na odwróceniu relacji kanał wzbudzenia-kanał fluorescencji. Dodatkowo w przypadkach wątpliwych obliczano długość fali kanałów wzbudzenia (leżących w zakresie generacji posiadanych laserów) z udziałem nowych poziomów i sprawdzano czy takie linie istnieją i czy parametry struktury nadsubtelnej odpowiadają przewidywanym na podstawie wyniku identyfikacji. W sumie w badaniach zmierzono strukturę 133 linii widmowych prazeodymu i z sukcesem je sklasyfikowano. W efekcie określono wartość energii i stałych struktury nadsubtelnej 57 nie występujących wcześniej w tablicach poziomów elektronowych konfiguracji nieparzystych (15 spośród tych poziomów zaobserwowano po raz pierwszy w ramach mojej pracy doktorskiej) oraz zmierzono stałe struktury nadsubtelnej dla 98 znanych poziomów konfiguracji parzystych. H02 - Hyperfine structure analysis odd configurations levels in neutral lanthanum I. Experimental Opisana powyżej praca na temat prazeodymu uświadomiła mi jak ważne jest w procesie identyfikacji niesklasyfikowanych linii widmowych posiadanie maksymalnie kompletnej bazy danych w postaci wyników pomiarów stałych struktury nadsubtelnej znanych poziomów. Niestety wyniki obliczeń ab initio jak również obliczeń semiempirycznych, opartych na nisko położonych poziomach, w przypadku lantanowców są, jak już wspomniałem, bardzo nieprecyzyjne i w zasadzie nieprzydatne. W przypadku jonu i atomu prazeodymu taka baza, dzięki badaniom Ginibre [21 24] oraz grupy Guthoehrleina [15] była przyzwoita. W przypadku atomu lantanu z reguły wyniki eksperymentalne kończyły się na wysokości 30000cm 1. Jednocześnie, z punktu widzenia fizyki atomowej opis oddziaływań w atomie lantanu jest szczególnie ciekawy. Ponieważ jest to pierwszy z lantanowców, funkcje falowe większości poziomów elektronowych wypełniają wewnętrzne minimum potencjału, ale mogą też istnieć poziomy z funkcją falową wypełniającą oba minima lub funkcją typową dla innych niż lantanowce pierwiastków. Praca H02 jest poświęcona pomiarom struktury nadsubtelnej znanych poziomów konfiguracji nieparzystych atomu lantanu. Przystąpienie do prac z nowym pierwiastkiem wymagało doboru innych optymalnych warunków w zakresie geometrii katody wnękowej, prądu wyładowania itp.. Zagadnienia 8

9 te są opisane w początkowej części pracy. Brak znanych z literatury wyników w zakresie energii cm 1 nie jest w przypadku lantanu przypadkowy i wynika z faktu, że układ konfiguracji i termów umożliwia występowanie prawie wyłącznie bardzo słabych linii widmowych. Zwiększyło to znacznie wymagania odnośnie optymalizacji stosunku sygnału do szumu w układzie rejestracji laserowo indukowanej fluorecencji. Jedynym sposobem uzyskania odpowiedniej jakości wyników była rejestracja sygnału LIF dla kilkunastu skanów lasera z maksymalnym czasem przestrajania 5 min (po przekroczeniu którego znacznie rosło prawdopodobieństwo przeskoków modowych) i uśrednianie stałych obliczanych z poszczególnych skanów. Badane linie widmowe podzielono na trzy grupy. Linie z pierwszej grupy miały dolne poziomy elektronowe o wartościach stałych struktury nadsubtelnej znanych z literatury, często z dużą dokładnością (metoda ABMR LIRF). Dzięki temu można było znacznie precyzyjniej wyznaczyć stałe poziomów górnych. W przypadku linii drugiej grupy do konfiguracji nieparzystych należał poziom dolny, a w przypadku linii trzeciej grupy, poziom górny, przy czym stałe struktury nadsubtelnej należało wyznaczyć dla obu poziomów przejścia. W ten sposób niepewności pomiarowe uzyskane dla każdej grupy linii były różne. W sumie wyznaczono stałe dla 69 poziomów grupy pierwszej, 23 poziomów grupy drugiej oraz 22 poziomów grupy trzeciej. Łącznie dla 114 poziomów, przy czym około połowy stanowiły wyniki uzyskane po raz pierwszy, nie mające odpowiedników w literaturze. H03 i H04 - Hyperfine structure in La II odd (even) configuration levels Ze względu na bardzo złożony układ poziomów elektronowych atomu prazeodymu i lantanu, wyniki prac H01 oraz H02, chociaż znacznie poszerzyły bazę wyników eksperymentalnych, nie były wystarczające do semiempirycznego opisu oddziaływań. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku jonu lantanu. Dlatego poprosiłem kolegów z grupy teoretycznej, aby w uzupełnieniu uzyskanych przeze mnie wyników, przeprowadzili takie obliczenia. W ten sposób powstały prace H03 i H04, które stanowią kompletny opis semiempiryczny struktury poziomów elektronowych konfiguracji nieparzystych (H03) oraz parzystych (H04) jonu lantanu. W części doświadczalnej prace zawierają nowe wyniki pomiarów dla 22 poziomów konfiguracji nieparzystych oraz 12 poziomów konfiguracji parzystych, uzyskane przeze mnie metodami opisanymi we wstępnej części pracy H03. Szczególną uwagę zwróciłem na pomiary tych poziomów, dla których obliczenia ab initio dawały wyniki znacznie różniące się od wyników eksperymentalnych. Ostateczne wartości dla tych poziomów stanowią średnią wynikającą z pomiarów kilku linii widmowych. Przykład dla podmacierzy J=1 przedstawiono w tabeli 1. W zaproponowanej przez prof. J. Dembczyńskiego [25] i zaadoptowanej dla potrzeb jonu lantanu przez dr Magdalenę Elantkowską i dr. Jarosława Ruczkowskiego metodzie obliczeń semiempirycznych charakterystyczne jest to, że mimo stosowania stosunkowo dużej bazy konfiguracji, całki radialne oddziaływania subtelnego oraz parametry jednoelektronowe oddziaływania nadsubtelnego części konfiguracji nie są niezależne. Takie podejście zapobiega sytuacji, w której jakość dopasowania poprawia się tylko dlatego, że wzrasta liczba niezależnych parametrów ze wzrostem liczby konfiguracji. W przypadku poziomów konfiguracji nieparzystych zastosowano bazę 42 konfiguracji co wymagałoby obliczania 2163 parametrów struktury subtelnej. W wyniku użycia powiązań między sobą parametrów udało się zredukować ich liczbę do poziomu umożliwiającego zbudowanie (biorąc pod uwagę liczbę uzyskanych przeze mnie wyników eksperymentalnych) nadokreślonego układu równań i wyznaczenie 30 niezależnych parametrów struktury subtelnej i 12 parametrów struktury nadsubtelnej. Zamieszczone w pracy H04 obliczenia dla poziomów parzystych wykonywano w bazie 36 konfiguracji, 9

10 uzyskując 41 niezależnych parametrów struktury nadsubtelnej i 15 parametrów struktury nadsubtelnej. Zarówno w przypadku pracy H03 jak i H04 osiągnięto niepewność dopasowania energii poziomów rzędu kilku cm 1 i stałej A rzędu kilku MHz, co stanowi prawdziwy wyjątek w przypadku lantanowców. H05 i H06 - Experimental investigations of the hyperfine structure in neutral La: odd (even) parity levels Celem podjęcia badań opisanych w pracach H05 i H06 była próba dalszego rozszerzenia bazy danych eksperymentalnych dla poziomów elektronowych w atomie lantanu oraz próba poszukiwania nowych poziomów elektronowych z wykorzystaniem tych wyników jak również wyników uzyskanych w pracy H02. Perspektywicznym celem badań był opis oddziaływań w atomie lantanu podobny do przedstawionego w pracach H03 i H04 opisu oddziaływań w jonie. Wynikające z pracy H02, z pomiarów próbnych, jak i z dyskusji z przedstawicielami grup realizujących podobne badania w ośrodkach zagranicznych wnioski odnośnie metod możliwych do zastosowania przy identyfikacji poziomów atomu lantanu wskazywały na to, że metody, które stosowałem wcześniej dla atomu prazeodymu mają niewielką skuteczność. Jest to rezultatem wspomnianego już nieszczęśliwego układu konfiguracji elektronowych. Jednocześnie próby semiempirycznego dopasowania uzyskanych w ramach pracy H02 wyników wskazywały na to, że dla wartości energii powyżej 40000cm 1 pojawiają się takie konfiguracje, z których przejścia powinny być silniejsze. W związku z tym opracowałem metodę, która niejako omija trudny do badań eksperymentalnych obszar. Metoda jest oparta o wykorzystanie detekcji optogalwanicznej oraz tzw. zjawisko laserowo indukowanej fluorescencji w przeciwfazie. Detekcji optogalwanicznej w przypadku atomu prazeodymu używałem rzadko, gdyż nie daje ona informacji na temat kanałów fluorescencji, nie daje separacji sygnałów od nałożonych linii widmowych a poza tym niezakłócony sygnał optogalwaniczny występuje tylko w przypadku bardzo spokojnego wyładowania w lampie z katodą wnękową, co wymaga perfekcyjnego dobrania warunków wyładowania oraz utrzymywania tych warunków przez dłuższy czas przed przystąpieniem do pomiarów w celu usunięcia z powierzchni katody tlenków. W przypadku atomu lantanu metoda detekcji optogalwanicznej sprawdziła się doskonale, jako pierwszy etap pomiarów. Po zarejestrowaniu sygnału optogalwanicznego niesklasyfikowanych linii obliczałem wartości liczb kwantowych J i stałych struktury nadsubtelnej obu poziomów. Okazało się, że otrzymane wartości stałej A z dużym prawdopodobieństwem odpowiadały poziomom konfiguracji położonych na wysokości cm 1. Aby rozstrzygnąć, które konkretnie to są poziomy, ustawiałem szczelinę monochromatora kolejno na linie z poszczególnych poziomów i poszukiwałem fluorescencji w przeciwfazie. Metoda okazała się bardzo efektywna. Jej minusem jest fakt, że nie zawsze udało się w sposób pewny określić liczbę kwantową J nowych poziomów. Szczególnie gdy mają one niedużą wartość stałej A. Wszystkie te przypadki opisano w pracy. W sumie praca H05 zawiera wyniki pomiarów struktury nadsubtelnej dla 83 poziomów o znanej wartości energii, w większości uzyskane po raz pierwszy bez odpowiedników literaturowych oraz 23 poziomów, dla których po raz pierwszy wyznaczono zarówno wartość energii jak i liczby J i stałej struktury nadsubtelnej. W pracy H06 przedstawiłem wyniki otrzymane dla 98 poziomów o znanej energii (prawie wszystkie stałe A zmierzone po raz pierwszy) oraz dla 51 poziomów nowych. 10

11 H07 - Critical analysis of the methods of interpretation in the hyperfine structure of free atoms and ions: case of the model space (5d+6s) 3 of the lanthanum atom Publikacja zawiera opis i efekty zastosowania metody obliczeń semiempirycznych, podobnej jak w pracach H03 i H04, do układu poziomów elektronowych konfiguracji parzystych atomu lantanu. Dodanie jednego elektronu, w stosunku do zjonizowanego lantanu w dużym stopniu komplikuje obliczenia. Mimo znacznego zwiększenia liczby dostępnych wyników eksperymentalnych (dzięki wynikom uzyskanym w pracach H05 i H06) przyporządkowanie poziomów do konfiguracji w zakresie wyższych wartości energii, w momencie powstawania pracy pozostawało problematyczne. Przyporządkowanie takie jest natomiast dość jednoznaczne dla wartości energii poniżej 20000cm 1. Mimo to znane z literatury próby obliczeń ab initio stałych struktury nadsubtelnej dają również w tym przypadku wartości różniące się do 50% od zmierzonych. Ponieważ praca ma raczej charakter teoretyczny, mój wkład w jej powstawanie jest nieco skromniejszy niż w przypadku pozostałych publikacji cyklu i polega na wykonaniu pomiarów struktury nadsubtelnej 13 poziomów z zakresu energii cm 1. Niemniej wkład ten, podobnie jak w przypadku prac H03 i H04 był niezbędny, gdyż znane z literatury wyniki mimo, że często bardzo dokładne (uzyskane metodami podwójnego rezonansu optyczno-mikrofalowego) tworzyły zbyt mały zbiór aby uzyskać nadokreślony układ równań w niezbędnej bazie konfiguracji. Zadaniem pomiarów było uzyskanie nowych wyników eksperymentalnych w przypadkach, gdy brak takich wyników w literaturze lub znane wyniki mają dużą niepewność pomiarową. Do pomiarów wykorzystałem 34 linie widmowe, dzięki czemu większość zmierzonych stałych jest średnią wyników pomiaru kilku linii. Taka procedura jednocześnie zmniejsza niepewność pomiarową, jak i eliminuje ewentualne pomyłki wynikające z niewłaściwej klasyfikacji linii. Zastosowanie metody prof. J. Dembczyńskiego opartej na przestrzeni modelowej [25] umożliwiło bardzo dokładne dopasowanie semiempiryczne wyników eksperymentalnych. Satysfakcjonujące jest to, że mimo, że przy obliczeniach wyniki uzyskane metodą ABMR LIRF były uwzględniane ze znacznie większą wagą statystyczną, moje wyniki dosyć dobrze z nimi korelują. H08 - Isotope shift and hyperfine structure in even configurations of neutral europium Metoda obliczeń zastosowana do atomu lantanu w pracy H07 może być rozszerzona na pozostałe poziomy elektronowe, pod warunkiem dalszego zwiększenia liczby dostępnych wyników eksperymentalnych oraz właściwego przypisania poziomów do konfiguracji. Pierwsze z powyższych zadań jest z sukcesem realizowane przez kilka grup z ośrodków zagranicznych dysponujących laserami w niedostępnych dla mnie zakresach widmowych oraz spektrometrami fourierowskimi, które kontynuują zainicjowane przeze mnie badania [26 34]. Drugie zadanie zwróciło moją uwagę na możliwość wykorzystania przesunięć izotopowych do określania konfiguracji elektronowej poziomu. Wyniki pomiarów przesunięć izotopowych są używane jako podstawa dla przypisania poziomów do konfiguracji w przypadku gdy atom ma tylko parzyste izotopy trwałe lub, gdy przesunięcie izotopowe jest znacznie większe od rozszczepienia nadsubtelnego. Spośród lantanowców, typowymi przykładami są tutaj atomy ceru i neodymu. O ile w przypadku struktury nadsubtelnej efekty interferencyjne w funkcji falowej mogą spowodować, że złożenie konfiguracji z elektronem s, a więc potencjalnie dużymi wartościami parametrów jednoelektronowych, daje poziom o niedużej stałej struktury nadsubtelnej, w przypadku przesunięć izotopowych powszechnie przyjęta reguła składania przesunięć konfiguracji czystych nazywana w literaturze "sharing rule" jest bardzo przejrzysta i wolna od efektów interferencyjnych. Zróżnicowanie przesunięć izotopowych, 11

12 wynikające z efektów drugiego rzędu (tzw. CSO effects), może być łatwo sparametryzowane z wykorzystaniem współczynników kątowych oddziaływania wymiany i oddziaływania spin-orbita i zazwyczaj nie przekracza 10% całości przesunięcia. Jednocześnie, ponieważ polowe przesunięcie izotopowe jest dla danej pary izotopów liniowo zależne od kwadratu funkcji falowej w miejscu jądra, analiza przesunięć izotopowych stanowi cenne narzędzie do badania efektów relaksacji rdzenia i ekranowania zewnętrznego elektronu s. Dobrym przypadkiem do porównania wyników określania konfiguracji uzyskiwanych przez analizę struktury nadsubtelnej i analizę przesunięć izotopowych jest atom europu, który ma dwa trwałe izotopy nieparzyste i stosunkowo duży magnetyczny moment dipolowy jądra. Dlatego cztery kolejne prace w przedstawianym cyklu dotyczą europu. Pomimo, że tytuł pracy H08 sugeruje przede wszystkim analizę zagadnienia przesunięć izotopowych, w części doświadczalnej pracy H08 przedstawiam wyniki pomiarów zarówno przesunięć izotopowych jak i stałych struktury nadsubtelnej dla 69 poziomów atomu europu z czego 44 poziomy zostały zmierzone po raz pierwszy. Zastosowana metoda pomiarów oraz sposób obliczania przesunięć izotopowych i stałych struktury nadsubtelnej, na podstawie zarejestrowanego widma, były podobne do opisanych we wcześniejszych pracach, (oczywiście cały układ zoptymalizowałem uwzględniając różnice w parametrach wyładowania w europie w stosunku do prazeodymu i lantanu). W pracy H08 zamieściłem również semiempiryczną oraz ab initio analizę zmierzonych przesunięć izotopowych. Ponieważ zainteresowania grupy prof. Dembczyńskiego koncentrują się raczej wokół zagadnień analizy struktury nadsubtelnej, musiałem przygotować sobie metodykę do tych obliczeń. Powszechnie dostępne w sieci programy do obliczeń ab initio (tzw. kod Cowana [4] oraz program Charlotte Froese Fisher [5]) są oparte na metodzie MCHF i dają rezultaty mało precyzyjne. Dlatego nawiązałem współpracę z prof. J. P. Desclaux, autorem jednego z najlepszych programów relatywistycznych MCDF [6], który udostępnił mi swój program. Pozostawało opracowanie metody obliczeń semiempirycznych przesunięć izotopowych wykorzystującą "sharing rule". Metodę taką opracowałem samodzielnie. W metodzie można wykorzystywać alternatywnie współczynniki kątowe generowane przez kod Cowana lub program Dembczyńskiego do analizy struktury nadsubtelnej. W tym drugim przypadku zasadniczym problemem był fakt, że w metodzie Dembczyńskiego współczynniki kątowe całek radialnych nie występują jako plik wyjściowy. Problem ten rozwiązałem przez różniczkowanie numeryczne wartości energii względem poszczególnych całek radialnych. Wyniki moich obliczeń są dosyć ciekawe. Z jednej strony, dla większości poziomów uzyskałem przewidywane wartości przesunięć izotopowych pozostające w dobrej zgodności z wynikami eksperymentalnymi a jednokonfiguracyjne parametry przesunięć izotopowych zgadzają się z przewidywaniami ab initio. Z drugiej strony, pojawiła się zasadnicza niezgodność dla kilku poziomów w podmacierzy J=7/2. Niezgodność ta dotyczy stosunkowo nisko położonych poziomów i ma charakter fundamentalny. Nieduża, obserwowana eksperymentalnie, wartość przesunięć izotopowych dla powyższych poziomów wymagałaby albo zmieszania konfiguracji 4f 7 5d6p z konfiguracją 4f 6 5d6s 2, które nie mieszają się, albo znacznego przesunięcia środka ciężkości konfiguracji 4f 6 5d 2 6s. Aby stworzyć bazę doświadczalną do tego typu modyfikacji, przygotowałem publikację, w której zweryfikowałem eksperymentalnie znane z literatury dane dla problematycznych poziomów oraz zmierzyłem nowe poziomy, które powinny pomóc w rozwiązaniu problemu. Wyniki są zawarte w pracy [35], którą wysłałem do druku w Physica Scripta (ponieważ praca nie ukazała się jeszcze nie mogła wejść w skład cyklu). Znaczenie powyższego problemu jest ogólniejsze niż interpretacja widma atomu europu, gdyż powstaje pytanie, czy określanie konfiguracji na podstawie przesunięć izotopowych i struktury 12

13 nadsubtelnej może prowadzić do różnych funkcji falowych tego samego poziomu? H09 - Experimental determination of core relaxation and screening effects on the wavefunction at a nucleus for stable isotopes of - 151,153 Eu II Praca dotyczy analizy zjawiska relaksacji rdzenia i ekranowania elektronu 6s na podstawie pomiarów przesunięć izotopowych poziomów elektronowych jonu europu. W przypadku znanych z literatury danych doświadczalnych, dotyczących poziomów elektronowych jonu europu, sytuacja jest dosyć dziwna. W ostatnich 30 latach ukazało się kilkanaście prac dotyczących pomiarów struktury nadsubtelnej i przesunięć izotopowych, ale wszystkie te prace dotyczą przejść między najniższymi poziomami konfiguracji 4f 7 6s i 4f 7 5d oraz kilkoma poziomami konfiguracji 4f 7 6p, dla których otrzymano w końcu bardzo dokładne wyniki metodami spektroskopii wysokiej rozdzielczości. Badane linie są bardzo silne, tak więc nie ma problemu aby badać je metodami podwójnego rezonansu optycznomikrofalowego (podobny eksperyment przeprowadziliśmy w naszym laboratorium z wykorzystaniem Pułapki Paula [36]). Spośród pozostałych poziomów zaledwie kilka było mierzonych w latach 60 XX wieku metodami spektroskopii klasycznej [37 39]. Przyczyna jest taka, że wszystkie pozostałe sklasyfikowane linie jonu europu są bardzo słabe, a kanałów fluorescencji należy poszukiwać raczej w dalekim nadfiolecie. Z drugiej strony badanie tych poziomów jest istotne w kontekście interpretacji przesunięcia izotopowego konfiguracji 4f 6 5d6s. Na podstawie wspomnianych wyników z lat 60, różnica między obliczoną ab initio i zmierzoną wartością przesunięcia izotopowego dla tej konfiguracji wynosi prawie 2000MHz. Zatem albo programy obliczeniowe nieprawidłowo uwzględniają ekranowanie elektronu 6s w tej konfiguracji albo różnica wynika z dużego specyficznego przesunięcia masowego (większego niż w przypadku atomu europu). W ramach pracy H09 dokonałem próby rozwiązania tego problemu. Mimo znacznych trudności eksperymentalnych, wynikających z przyczyn podanych wyżej, zmierzyłem wartości przesunięć izotopowych i struktury nadsubtelnej 9 niebadanych wcześniej linii widmowych jonu europu uzyskując wyniki dla 3 poziomów elektronowych. W powiązaniu z danymi literaturowymi sparametryzowałem, wykorzystując metodę opracowaną na potrzeby pracy H08, semiempirycznie przesunięcia izotopowe, wykonałem obliczenia ab initio i porównałem wyniki. W efekcie co prawda problem został rozwiązany tylko częściowo, ale wyniki wskazują, że duże specyficzne przesunięcie masowe w jonie europu jest bardzo prawdopodobne. H10 - Hyperfine structure and isotope shift measurements of unclassified lines in Eu II and new determination of the partition function Przyczyny podjęcia badań opisanych w pracy H10 są bezpośrednią konsekwencją trudności eksperymentalnych towarzyszących realizacji pracy H09. Wyniki uzyskane w ramach pracy H09 wyczerpały możliwości pomiarów sklasyfikowanych linii widmowych w jonie europu, przy uwzględnieniu możliwości posiadanej przeze mnie aparatury. Z tablic linii widmowych jonu europu wynikało, że większe szanse uzyskania nowych wyników daje pomiar niesklasyfikowanych linii i próba ich klasyfikacji. W pracy H10 przedstawiłem wyniki pomiarów 31 takich linii. W wyniku klasyfikacji tych linii otrzymałem 28 nowych poziomów elektronowych w jonie europu. We wstępie do pracy przedstawiłem statystykę sklasyfikowanych i niesklasyfikowanych linii widmowych w poszczególnych zakresach widma, która wskazuje jak mało wiadomo na temat poziomów elektronowych jonu europu. Określanie energii nowych poziomów jest w przypadku jonu europu bardzo trudne, gdyż większość 13

14 kanałów fluorescencji leży w nadfiolecie poza zakresem dużej czułości monochromatora. Obserwowane kanały fluorescencji nie umożliwiają wyznaczenia energii metodami opracowanymi dla prazeodymu i lantanu. Jedyna możliwość, z której skorzystałem, polegała na wyszukaniu spośród zmierzonych i semiempirycznie dopasowanych stałych struktury nadsubtelnej, bardzo charakterystycznych wartości (ujemnych lub bardzo dużych), przyjęciu logicznego założenia, że zmierzony poziom jest poziomem o takim właśnie opisie spektroskopowym, a następnie wygenerowaniu (w oparciu o zasadę kombinacyjną zastosowaną do zbioru niesklasyfikowanych linii widmowych), wartości energii maksymalnie zbliżonej do przewidywanej dla danego poziomu. We wcześniejszych pracach unikałem stosowania zasady kombinacyjnej, gdyż w przypadku charakterystycznej dla lantanowców dużej liczby linii prowadzi ona do przypadkowych koincydencji. Jednak wydaje się, że przy wprowadzonym ograniczeniu przedziału energii dla poszukiwanego poziomu, wynikającym z wyników przewidywań semiempirycznych, stosowanie tej zasady jest bezpieczniejsze. Wartości energii dla pozostałych poziomów już w sposób jednoznaczny wynikają z różnic między liczbami falowymi badanych linii, w których odpowiednie poziomy się powtarzają. Oczywiście w ten sposób określone wartości energii wymagają weryfikacji. Dlatego w pracy zamieściłem tabelę przewidywanych linii widmowych, które mogą służyć do tej weryfikacji. Niezależnie od tego, czy wyznaczone wartości energii się potwierdzą, czy nie, interwały między wartościami energii poziomów są pewne. Praca umożliwiła odpowiedź na bardzo istotne z punktu widzenia astrofizyki pytanie: "Ile konfiguracji w jonie europu jest potrzebne do wytłumaczenia całego widma?", czyli do obliczenia funkcji rozkładu energii na poziomy. Nie ukrywam, że zainspirowała mnie w tym przypadku praca Mashonkiny z 2009 [40], która obliczyła wartość funkcji rozkładu w jonie prazeodymu na podstawie wyników jednej z moich wcześniejszych prac [10]. Przyjęta przeze mnie liczba konfiguracji wynika z uwzględnienia wszystkich konfiguracji niezbędnych do interpretacji przesunięć izotopowych górnych poziomów badanych linii. H11-6s electron screening in isotope shifts of configurations 4f 7 5d6s, 4f 7 6s6d and 4f 7 6s7d in europium Odpowiedź na pytanie, czy metody ab initio w prawidłowy sposób uwzględniają efekty relaksacji rdzenia i ekranowania elektronu 6s, może być paradoksalnie łatwiej uzyskana w oparciu o pomiary przesunięć izotopowych w atomie europu niż jonie. W ramach badań opisanych w pracy H11 zmierzyłem przesunięcia izotopowe poziomów konfiguracji 4f 7 6s7d atomu europu. Z uwagi na słabe linie widmowe oraz stosunkowo wysokie położenie tej konfiguracji na skali energii, poziomy te nie były badane wcześniej. Łącznie z konfiguracjami 4f 7 6s5d oraz 4f 7 6s6d, dla których są dostępne dane literaturowe otrzymałem układ trzech konfiguracji różniących się tylko obecnością elektronu 6d lub 7d zamiast elektronu 5d. Zgodnie z obliczeniami ab initio zakładającymi silne ekranowanie elektronu 6s przez orbital 5d i słabe, prawie identyczne ekranowanie przez orbitale 6d i 7d, przesunięcia izotopowe dla konfiguracji 4f 7 6s6d oraz 4f 7 6s7d powinny różnić się najwyżej o 100MHz. W rzeczywistości różnica jest rzędu 400MHz. Rozbieżność może być spowodowana albo większym niż przewidywane teoretycznie ekranowaniem elektronu 6s przez orbital 6d, albo mniejszym ekranowaniem powyższego elektronu przez orbital 7d. W celu rozstrzygnięcia, który wariant jest prawdziwy w części teoretycznej pracy dokonałem parametryzacji przesunięć izotopowych na podstawie współczynników kątowych obliczanych metodą podobną jak w pracach H08 i H09. W trzech opisanych próbach parametryzacji wykorzystałem funkcje falowe opublikowane przez Wyarta [43] (na podstawie analizy subtelnej w bazie 9 konfiguracji) oraz 14

15 funkcje wynikające z analizy struktury nadsubtelnej w znacznie większej bazie opisane w pracy Stachowskiej [44]. Obliczenia ab initio gęstości funkcji falowej w jądrze wykonałem przy użyciu programu MCDF Desclaux. Na wykresie zależności przesunięć izotopowych konfiguracji czystych od gęstości funkcji falowej punkt reprezentujący konfigurację 4f 7 6s6d leży pod prostą uzyskaną metodą regresji. Na tej podstawie można wnioskować, że różnica między wartościami przesunięć izotopowych konfiguracji 4f 7 6s6d oraz 4f 7 6s7d jest spowodowana prawdopodobnie większym niż przewidywane ab initio ekranowaniem elektronu 6s przez orbital 6d. Podsumowanie W przedstawionym krótkim opisie tematyki cyklu publikacji koncentrowałem się głównie na zagadnieniach związanych z zastosowaniami uzyskanych przeze mnie wyników eksperymentalnych do analizy oddziaływań w atomie złożonym. W tym kontekście problem opisu poziomów elektronowych jonu lantanu, dzięki uzyskanym przeze mnie wynikom, został właściwie rozwiązany (prace H03 i H04), podobnie jak problem opisu nisko położonych poziomów atomu lantanu (praca H07). Z dużym prawdopodobieństwem rozwiązany też został problem obliczania funkcji rozkładu energii dla wszystkich badanych jonów (praca H10 oraz cytowana już praca Mashonkiny [40]). Analiza efektów relaksacji rdzenia oraz ekranowania elektronów zewnętrznych w atomie i jonie europu na podstawie analizy przesunięć izotopowych częściowo potwierdziła wartości wynikające z obliczeń ab initio, częściowo nie (przedstawiłem, w których miejscach występują niezgodności i jaka może być ich przyczyna). Za zasadniczą wartość mojej pracy uważam uzyskanie i opublikowanie dużej liczby wyników eksperymentalnych w znacznej większości pierwszych wyników nie mających odpowiedników w literaturze. Obecnie wyniki te są sukcesywnie potwierdzane w ramach prac już opublikowanych, bądź prowadzonych przez inne zespoły [26 34]. Zastosowanie tego typu wyników eksperymentalnych w analizie oddziaływań w atomie jest oczywiste i w dużym stopniu niezależne od właściwości poziomów elektronowych ostatecznie uzyskanych w wyniku pomiaru. Pozostałe zastosowania są w pewnym stopniu uwarunkowane unikalnymi właściwościami poziomów. Z oczywistych względów trudno jest ocenić np. znaczenie uzyskanych wyników w kontekście być może najbardziej istotnego problemu z przedstawionych na wstępie, mianowicie wykorzystania przejść z udziałem nowych, zmierzonych przeze mnie poziomów, do pomiarów zmian w czasie stałej struktury subtelnej. Według obliczeń zamieszczonych w pracy Angstmana [18] istotnym parametrem warunkującym przydatność pary poziomów elektronowych do tego celu jest jak najmniejsza i dokładnie określona odległość w skali energii (rzędu 1cm 1 ). W chwili obecnej żadna metoda teoretyczna nie jest w stanie przewidzieć ab initio energii z wymaganą dokładnością. W związku z tym jedynym potencjalnym sposobem uzyskania takiej pary poziomów są badania doświadczalne podobne do prowadzonych przeze mnie. Również trudno jest przewidzieć konkretne zastosowania w dziedzinie optyki kwantowej, czy w kontekście chłodzenia laserowego lantanowców. W powyższych zastosowaniach oprócz zmierzonych przeze mnie parametrów istotne znaczenie ma czas życia poziomów, którego nie mogłem wyznaczyć bezpośrednio w moim eksperymencie. Zmierzone przez Fenga [41] czasy życia odkrytych przeze mnie i opublikowanych w pracy H05 poziomów w lantanie są rzędu ns. Można spodziewać się, że czas życia dla nisko położonych poziomów jonu europu opublikowanych w pracy H10 będzie długi (są to poziomy metastabilne a według danych z pracy Rostohara [42] czas życia dotychczas znanych metastabilnych poziomów europu przekracza 1 sekundę). Zatem potencjalnie łatwo uzyskać w jonie europu inwersję obsadzeń, natomiast długość fali ewentualnego lasera zbudowanego w oparciu 15