Вынужденное и спонтанное излучение при столкновениях релятивистских электронов в сильном световом поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

/ ' -1г

■оМрСКОВСКИЙ ГОС* ДАРСТВЕННЫЙ су^ ^

^^ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ /

Ч \ ^ л (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

к V На правах рукописи

гл

РОШУПКИН Сергей Павлович

ВЫНУЖДЕННОЕ И СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ СТОЛКНОВЕНИЯХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ В СИЛЬНОМ СВЕТОВОМ ПОЛЕ

01.04.02 - теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Автоо

р:

Москва - 1994

Работа выиолнена в Институте, прикладной физики Национальной Академии Наук Украины.

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,:

профессор ГОРЕСЛАВСКИЙ С-.П."

- докторфизико-математических наук, профессор ЖУКОВСКИЙ В.Ч.

г доктор физико-математических наук, профессор ЗАРЁЩШЙ Д:Ф.

Ведущая организация: Московский физико-технический институт.

Защита состоится " " ЛяЗсьрЛ 199в 1^00 часов на заседании диссертационного совета Д-053.03.01 в Московском государственном иижснсрио-физическом институте (техническом университете) но адресу: 115409, Москва,Каширское шоссе, д! 31, тел. 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан

!

Просим принять участие а работе союта или прислать о-пын и одном экземпляре^ заш;рент>1Й печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Сии

■I

/ в.п.я

ког.лси

/ (

...... . • • ' ъ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В иастоящее время в практике физического эксперимента по взаимодействию мощного когерентного : лсктромаш итного излучения с веществом широко используются интенсивности в диапозоне ( 1012 -10*9 ) Вт/ем2. Вблизи верхней границы напряженность поля больше атомной, скорость колеблющегося электрона близка к скорости света. При этом, классический параметр интенсивности ц . - ер/(тса>) достигает значений превышающих единицу, а квантовый параметр м1Юго<Ьотонности (параметр Бункина-Федорова)

у = т» <тс2/й ш) (ц/Е) значительно превосходит единицу ( Р и 4) • напряженность я частота поля волны; е,т и а,Е - заряд, масса и переданный импульс и энергия электрона, с - скорость света). В сильном поле излучения существенную роль играют нелинейные эффекты, связанные с поглощением из волны или испусканием в волну сразу нескольких квантов. Это приводит к тому,что сечения физических процессов начинают нелинейным образом зависеть от интенсивности падающей волны, меняются также угловые и спектральные распределения. Характерной особенностью электродинамических процессов высших порядков по постоянной тонкой структуры во внешнем поле является возможность их резонансного протекания. Это обусловлено тем, что в поле чолны для электрона разрешены процессы низших ■ порядков, такие, как спонгаппое излучение или однофотонное рождение и аннигиляция элекгрон-позитронных пар. Поэтому в некоторой области значений энергии и пмпульса частила в промежуточном состоянии может выйти на массовую оболочку, и рассматриваемый процесс высшего порядка эффективно сводится к двум последовательным процессам низших порядков. Возникновение резоиансов, в лазерном поле относится к числу наиболее фундаментальных я мало исследованных проблем квантовой электродинамики сильных полей. Особая значимость этих проблем связана с возможностью создания в современных условиях источников когерентного излучения очень высокой интенсивности вплоть до Ю21 Вт/см2. К числу фундаментальных относятся также и иерезонансные процессы при столкновениях релятивистских электронов во внешнем поле, которые имеют нетривиальные особенности в сильных световых полях. Следует подчеркнуть также

з

особую важность общерелятивистского подхода к данным задачам, позволяющего .Наиболее полно изучить спектральные и угловые характеристики вшироко:чДиапазоне энергий электронов.

Вопросы, связанные с икршфотоыным вынужденным и спонтанным тормозным эффектом на релятивистских электронах в световом поле важны не только для изучения вышеупомянутых фундаментальных проблем, но н для ряда поисковых прикладных направлений, к которым можно отнести создание лазера на свободных электронах, лазерное ускорение и др.

Таким образом, теоретическое исследование вынужденного п спонтанного излучения при столкновениях релятивистских электронов в сильном световом поле представляется актуальным и имеет как общефизическое, так и прикладное значение.

Т1едь лисеерташЕи: разработать аналитическую, релятивистскую теорию вынужденного и спонтанного излучения при столкновениях электронов в сильном световом поле.

Научная ковизна.В диссертации развита релятивистская теория квантовоэлектродинамических процессов вынужденного и спонтанного излучения при рассеянии электронов друг lia друге и па ядрах в сильном световом. ноле (одной и двух волн). В работе впервые получены следующие результаты.

В обще>1 релятивистском случае исследован процесс резонансного и нерезонансного рассеяния электрона п«д электроне (позитроне) и поле сильной световой волны аллннтичоскоГг поляризации. Показано, что в области интенс.ишюстей световой полны Т| « 1 резонансное дифференциальное сечение е-е -рассеяния может значительно (на 4 порядка) превышать • мёллеровское' сечение U>ra внешнего поля v на малых углах рассеяния ( G - 0.01° ). Световое-иоле в условиях, когда квантовый параметр Буикшш-Фсдорова у >> i подавляет интерференцию прямого и~обменного капало». е- - е" и е- - с+ - реакций в общем релятивистском случае.

В общем релятивистском.случае изучен-процесс резонансного п нер1езонанского споетанного тормозного излучения электрона на ядре в поле световой волны эллиптической поляризации. Показано, что в световом поле il « 1 в условиях -резонанса частота спонтанною фотона в зависимости. от энергии и. кинематики рассеяния элск-.роиа лежит в четырех существенно различных областях спектра излучения, При этом резонансное сечение может значительно (до 7 порядков

величины) превышать сечение-тормозного излучения электрона ¡т ядре (без внешнего поля). • . . .. ! • ' -

Получено - сечевгйсс -резонансного •.• фоторождеяия алектрон-позитронных пар на ядре в; поле световой, волны, интенсивность которой т| « 1 н угли между импульсами фотонов (падающим н внешнего поля) произвольны. Показано, что пороговая 5нер<-ня падающего фогона значительно превосходи энергию покоя электрона я вдали от порога, энергии электрона и позитрона существенно различаются. При этом, резонансное сечение может на порядок муевыщать сетеняе фоторождения пар на ядре (без внешнего поля).

В общем релятивистском случае исследован процесс рассеяния элс;арона на ядре в поле- двух светозьгх волн эллиптических поляризаций. произвольных гиггенагвноЬтей л частот, распространяющихся вдоль одного направления. Показано, что при определенных условиях па интенсивности обеих волн рассеянно электрона становится существенно аесиметричным, при этом, для циркулярных поляризаций волн электрон коррелированно излучает и поглощает одинаковое .число фотонов обеих волн (излучение и поглощение не равного числа фотонов волн подавлено).

Получено сечение рассеяния релятивистского электрона на ядре во втором порядке теории возмущений по потенциалу ядра в поле сильной световой волны эллиптической поляризации. Нащс:хы условия факторизации сеченйЯ' рассеяния на произведение сечения упругого процесса и вероятность излучения (поглощения) фотонов волны. Показано, что при определенных условиях в поле линейна поляризованной волны рассеяние = электрона в общем релятивистском случае становится существенно ассиметрячным (в плоскости начального импульса электрона и волнового вектора), причем происходит излучение и поглощение только четного числа фотонов волны, .

Развита квази классическая теория спонтанного- тормозного излучения медленного электрона на ядре в поле слабой электромагнитной волны. Указан интервал частот спектра излучения, где полученный результат может быть проверен экспериментально.

Изучено влияние релятивистских поправок (учет магнитодипольного взаимодействия) на угловое распределение электронов при тунельной ионизации атомов сильным низкочастотным электромагнитным ' полем. Показано,что в . случае линейно

поляризованной волны угловое . распределение зависит от азимутального угла и резко ассиметрично, а для цмркулярно поляризованной волны; - имеет максимум на угле отличном от нуля и определяемом релятивистской поправкой.

Научная и практическая значимость работы.

Полученные в диссертации условия факторизации сечений Процессов вынужденного и спонтанного излучения электрона на ядре в световом поле; на произведение соответствующего сечения упругого процесса и вероятность излучения (поглощения) определенного числа фотонов волны устанавливают границу независимого влияния на эти процессы поля ядра и поля волны. Выведенное в диссертации условие дипольного приближения дает верхнюю границу для интенсивностсй светового поля при нерелятивйстских подходах к задачам вынужденного и спонтанного; тормозного излучения электрона в лазерных полях. Аналитические, выражения для сечений многофотонного вынужденного тормозного эффекта вис области Бункина-Федорова во внешнем поле (одной или двух волн) являются базовыми при расчетах коэффициентов поглощения (усиления) световой волны. Использованные методики и подходы применимы для расчета других процессов, а также в прикладных задачах. Результаты, Полученные в диссертации позволяют предсказать-в световом ноле ряд новых физических эффектов: подавление интерференции, прямого и обменного каналов в процессах рассеяния электрона на электроне и позитроне; ассиметрию рассеяния электрона на ядре в; световом иоле (одной или двух волн); существенное влияние "поляризации волны на процесс рассеяния электрона,на ядре в отличие от нерслятйвнстской теории Бункина-Федорова; интсрфсрспнноиный эффект при рассеянии электрона на ядре в ноле двух световых волн,; проявляющийся в Коррелированном излучении и поглощении равного числа фотонов обеих волн при существенной ассиметрии рассеяния; резонансное поведение процессов:; вынужденного тормозного излучения и поглощения Цри рассеянии электрона на электроне, спонтанного тормозного излучения при:: • рассеянии; электрона па ядре, фоторождения электрон-йоз11тронных 1тр па ядре.

I а-

Основные положения ¿выносимые на защиту:

1. Релятивистская теория квантовоэлектродинамических процессов вынужденного и спонтанного излучения при столкновениях электронов в сильном световом поле.

2. Квазиклассическая теория спонтанного тормозного излучения при рассеянии медленного электрона на ядре в поле слабой электромагнитной волны. А

3. Угловое распределение электронов при тунельной ионизации атомов в сильном низкочастотном электромагнитном поле с учетом релятивистских поправок.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на , Всесоюзной конференции по атомным и электронным столкновениям (Рига, октябрь 1982), на Межведомственном рабочем. совещании по элементарным процессам в поле лазерного излучения (Ленинград, март ,1990), на VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, сентябрь 1990), на XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, сентябрь 1991), на II Всесоюзном семинаре по атомной спектроскопии и XI Всесоюзной конференции по теории атомов и атомных спектров (Суздаль, декабрь 1991), на III Семинаре по атомной спектроскопии (Черноголовка, декабрь 1992), на Международной конференции "Физика на Украине" (Киев, июнь 1993).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 114 источников. Общий объем - 225 стр. и включает 41 рисунок.

Основные оригинальные результаты отмечены в соответствующих параграфах и перечислейы в заключении диссертации. •-•' ---------- _ &

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В начале диссертации дан краткий обзор предшествующих -работ по изучению элементарных квантовых процессов, протекающих во внешнем, электромагнитном поле. Отмечается, что процессы рассеяния электронов в световом поле могут иметь место в различных

кинематических.областях: и хорошо известной области, где квантовым параметром многофотонностк является, параметр у и которую будем называть областью Бункнна-Федорова, а также в новых кинематических областях (в плоскости начального импульса электрона 1! волнового вектора и в плоскости перпендикулярной вектору поляризации линейно поляризованной волны), где данный параметр мал и параметром многофотонности является квантовый параметр |> =т}2 (рс/Ъ-Ш) (тс?/Е). а в поле дцух волн интеясивиостей Т}1 и % "и частот <й] и а>2 - ' квантовый ннтерфереипиопиьш параметр = "41 Чг (тс'/Е) [рс/Л(ш| ± си; ) ¡. В области оптических частот о - 1015 с*1 ) параметр п - 1 для. ншгркжешюстей полей Ь - (1010 - 10" ) В/см, а квантовые параметры у - 1 и Э ~ 1 - для нолей ¥ - (104 - 105 ) В/см и Р - Ш7 - 108 ) В/см (для релятивистских энергий электронов), соответственно. Отмечается, что !> данных кинематических областях различны и параметры, определяющие интегральные характеристики процессов тина Коэффициента поглощения. Так в области Бункина-Федорова таким параметром является классический параметр ■ = т) (тпе/р) , физический смысл которого - отношение работы поля на длине волны к энергии электрона (в1 нерелятивистском случае - отношение скорости осцилляции электрона в волне к скорости поступательного движения), а вне области Бункини-Фсдорова - классический параметр ц — т] ^ I шс2/Е). Б случае двух плоских волн одного, направления, по

различных интенсивностей и. частот таким параметром является

*

классический интерференционный параметр с, ¡,¡1 - Л) ч: ( тс2/Е), где индексы 1 и 2 относятся к первой и второй волнам. Б зависимости от значений классических параметров С , ц и Е, ¡П| (и соответствующих кинематических областях) - внешние ноля в диссертации подразделяются на: умеренно сильные, если данные параметры малы по сравнению с единицей: сильные, если параметры порядка единицы и сверхсильные! если параметры велики.

Исследование процессов ведется общим методом, в котором точно учитывается действие .. ноля волны, рассматриваем ой как классическое электромагнитное ноле, а все остальные частицы (электроны, позитроны, поглощенные и излученные кванты) рассматриваются .квантовомеханичсоки ( исключение представляет

§2.4, в котором точно учитывается взаимодействие медленных электронов с кулоновским центром). - - . .

В диссертации показано, что в общем релятивистском случае многофотонный вынужденный и спонтанный тормозной эффект в поле эллиптически поляризованной волны определяется функциями ЬДх.У-Р), которые выражаются через функции Бесселя целочисленных

индексов аргументов у и Э {% - фазовый параметр, 5 - число излученных или поглощенных фотонов волны). Характерно, что для циркулярной поляризации, а также в случае эллиптической поляризации, в нсрелятивнстком пределе (дииольное приближение) квантовый параметр Р — 0 и функции Ь5 с точностью до фазового множителя совпадают с функциями Бесселя (у ).

Первая глава посвящена изучению рассеяния релятивистских электрона на электроне и позитроне в сильном световом поле. В борцовском приближении но взаимодействию. электронов получено общее релятивистское выражение для амплитуды е-е рассеяния в поле эллиптически поляризованной волны произвольной интенсивности. Показано, что амплитуда. может быть, представлена в виде суммы парциальных амплитуд с излучением или поглощением определенного числа фотонов, волны обоими электронами. Парциальные амплитуды определяются функция ми Ъз . Детально изучены полюса амплитуды рассеяния, связанные с выходом функции Грина промежуточного фотона на массовую оболочку. Показано, что в условиях резонанса влияние квантового параметра Бункина-Федорова у на процесс рассеяния не проявляется.. Многофотонное излучение и поглощение . электронами фотонов волны определяется классическим релятивистски инвариантным параметром Т]. При этом,- процесс резонансного рассеяния электрона на электроне эффективно распадается на два процесса типа комптоновского рассеяния волны на электроне: первый электрон за счет поглощения некоторого числа фотонов волны излучает реальный промежуточный фотон, который поглощается другим электроном с излучением определенного числа фотонов волны. Для интенсивностей волны т] << 1 выяснено, что резонансы могут возникать при рассеянии электронов в системе центра инерции вперед и назад на малые углы в - Ьсо/рс « 1, причем волновые вектора фотонов (волны и промежуточного) направлены ■ по образующим

конуса с осью вдоль начального относительного импульса электронов. В этом случае получено релятивистское выражение для резонансного дифференциального сечения рассеяния электронов в телесный угол с1Я для эллиптически поляризованной волны. Резонансная бесконечность устранялась с помощью процедуры Брейта- Вигнера: энергии электронов считались комплексными, при этом мнимая часть энергии определялась полной вероятностью (в единицу времени) комптоновского рассеяния волны на электроне. Показано, что отношение резонансного сечения ёогез/с!П к мёллеровскому сечению асМ;|/сШ (без внешнего поля) выражается простой форму л 011:

КГ(;5 = ёоге5/ёоМЛ1 = í сс-2 (тс2/Е)< 81п4(в1/2),- (1)

где а - постоянная тонкой структуры, Е - начальная относительная анергия электронов, в, - угол между импульсами фотонов (внешнего поля и промежуточного), а функция ( - 1.

Из (1) видно, что наибольшее превышение резонансного сечения над мёллеровским сечением свободных электронов имеет место л ля нерелятивистских энергий электронов и может составить 4 порядка величины последнего. С ростом энергии отношение сечений падает и для ультрарелятивистских электронов стремится к нулю.

Л ля интенсивностей. волны т] « 1 в общем релятивистском случае изучено нерезонаисное рассеяние электрона на электроне и позитроне в поле эллиптически поляризованной волны. Здесь нерсзонансная область определяется рассеянием электронов в с.ц.и. на углы не близкие к нулю и п : в » Ъш/рс и (е-0| » /Ьш/рс (для рассеяния электрона на позитроне - на углы не близкие к нулю). Для интенсивностей волны Т] « 1 и Р « 1 получены релятивист скис выражения для парциальных дифференциальных сечений рассеяния электрона на электроне и позитроне. В случае умеренно сильных нолей (с, « 1 ) парциальные ссчепня просуммированы по всем процессам излучения и поглощения фотонов волны.• В просуммированных, сечениях внешнее ноле влияет, лишь на интерференционное слагаемое. При этом, нсрезонанспые дифференциальные сечения рассеяния электрона па электроне и позитроне в элемент телесного угла с10, выраженные в единицах

ю

соответственно сечений Мёллера (¿аш\/сЮ ) и Баба принимают простой аналитический вид:

(1а(е~е~)/с1стмг1 = 1 " Мв. Е) [1 - Ь (а 0 ], (2)

ёо(е-еО/ёств = 1 - ^(9,Е)[1 - ^ (а2) ]• . (3)

Здесь fl и ¡2 - функции порядка единицы, зависят от относительной энергии и угла рассеяния электронов (позитронов), а аргументы функции Бесселя нулевого индекса а 1,2 - у. Из (2),(3) видно, что

когда у « 1 получим 11 - .Го I << 1 и следовательно внешнее иоле практически не влияет на процесс рассеяния электрона на электроне и позитроне (область применимости теории возмущений по внешнему полю). В случае же, когда интенсивность светового поля такова, что у ~ 1, тогда внешнее поле может существенно повлиять на процесс рассеяния. Если же напряженность поля ещё повысить, так чтобы у » 1, тогда I 10 | « 1 и, следовательно, интерференционным слагаемым в нерезонансных сечениях можно пренебречь и, например, при е- - е- рассеянии на угол 9 = к /2 в нерелятивистском случае сечение рассеяния увеличивается в два раза, а в ультрарелятивпстско« пределе - уменьшается почти в два раза; для е- - е+ рассеяния на угол 9 = я в ультрарелятивпстском случае получим увеличение сечения в два раза (в нерелятивистком случае - интерференционным слагаемым можно пренебречь). Характерно, что этот результат не зависит от поляризации волны.

Изучено нерезонансное рассеяние электрона па электроне и позитроне в поле циркулярно поляризованной волны произвольной интенсивности. Показано, что для произвольных интенсивностен внешней волны нерезонансное рассеяние электронов будет иметь место при условии, что плоскость рассеяния электронов в с.п.н. перпендикулярна золновому вектору. В этих • условиях получено парциальное дифференциальное сечение рассеяния электронов с излучением или поглощением произвольного числа фотонов волны. Отмечается, что для полей, когда квантовый параметр Бупкина-Федорова у » 1 в. парциальном сечении можно пренебречь интерференционным слагаемым. Нерезонансное дифференциальное

сечение рассеяния детально проанализирована дли • различных энергий электронов и иитенсивностей внешнего поля. Для умеренно сильных ( %« 1) и сверхсильных (£ » 1) полей проведено суммирование парциальных сечений но всем процессам излучения и поглощения фотонов волны. При этом, в случае умеренно сильного поЛя получено выражение аналогичное (2)(однако, область его применимости по интенсивности значительно шире: ц « р/т, а не Т] « « 1); для сверхсилыюго поля в области релятивистских энергий электронов сечение подавлено; а в нерелятивистском пределе - имеет вид: .

сЮ(е-е-)= (1 + Ц2/2Н ¿1 + 5щ28/(! + ЗСохЭД)] (4).

Из (4) видно, что для ' IV* = 1 и угла рассеяния 9 = я /2 отношение сечений : равно 0.4 и с увеличением интенсивности быстро спадает к нулю ( при т] « 2 отношение сечений , равно 0.03). Отмечается, что ИерезонанснОе рассеяние- электрона на позитроне в плоскости перпендикулярной волновому .вектору имеет место лишь для умеренно сильных и сверхсильных нолей. В этих случаях получены парциальные сечения е- - е* рассеяния. В области умеренно" сильного поля парциальные сечения- просуммированы но всем процессам излучения и поглощения фотокой - волны. Полученное сечение аналогично сечению (3) (однако, его область Применимости но интенсивности значительно [пире). ' Для 'сверхсилыюго поля нерезонанснос" сечение, с" - с1' рассеяния подавлено как « 1.

Во второй главе изучено снонтаннор тормозное излучение (СТИ) релятивисте ко I о электрона, рассеинающс! оси на ядре, а также фоторождение . электронтрознтронных нар на ; ядре во внешнем электромагнитном поле. - X

... В борцовском приближении по . цзаимодейпиию электрона с полем 'ядра в общем релятивистском случае получена амплитуда СТИ электрона на ядре, в /юле эллиптически поляризомипоп полны произвольной интенсивности. -Детально изучены нолика амплитуды рассеяния, связанные с выходом, функции Грина пл.ек'фона в плосковолново.м ноле На массовуюоболочку. Показано, что в условиях резонанса процесс СТИ электрона на ядре эффективно распадается на два процесса первого порядка "но постоянной тонкой структуры: процесс комптоновскф'о рассеяния -волныд'.на электроне (лдит.

параметром многафотонностн. является классический параметр т) ) и процесс рассеяния реального промежуточного электрона.(позитрона) на ядре в поле волны (здесь параметром многосЬотонности является квантовый параметр /у ). Характерно, что резонансы возникают только при непараллельном движении фотонов (спонтанного и внешнего поля). В дальнейшем изучение резоиансов было ограничено областью интснсивностен т(« 1: Показано, что в довольно широкой области энергий и. углов рассеяния электрона (исключение представляет случай ультрарелятивистского электрона с энергией Е - (шс2)2/Ч1а>, если он движется и узком конусе со спонтанным фотоном) частота спонтанного фотона т' в резонансе (резонансная частота) кратна частотам (соответственно для прямой и обменной амплитуд) :

<а' =г г <иц, где г = 1,2,3,... соответствует поглощению 1,2,3,... фотонов внешнего поля, а

0);,г = £0 (Е||Г - Сояв1-т)/(Е!,Г - Р;,г Со5в\г) (5)

Здесь Е^ и р; { - энергия и импульс, электрона до и после рассеяния, а г и ( - углы между импульсом электрона (в начальном или конечном состояниях) и импульсами ({ютонов (внешнего поля и спонтанного). Для интснсивностен волны Т] « 1 наиболее вероятен процесс с поглощением одного фотона (г = 1: электрон спонтанно излучает фотон за счет поглощения одного (ротона внешнего ноля, однако' рассеянно -реальиого промежуточного элеклюп.ч на ядре для Т| << 1 представляет собой, вообще говори, много<(ютопш>п1 вынужденный тормозной аффект). П.ч (Л) следуем', что резонансная частота имеет четыре характерные области: в иерелятнвистском случае о' =в ш ; I) удьто;Iрелитпг,нетпа>м продело :>нсргпй при движении электрона в узком конусе с фотоном внешнего поля со' « ш , а в узком к'онугс со спотаннмм фотном - со' >> (И ; к остальных случаях «>' - а). Отмечается, чго пптерфереппни резонансных амплитуд (прямой ¡1 нймешкш! происходит при рассеянии электрона па малые у| л»! Н - йи> рс « 1 (н ультраоелятиннстеком случае при движении .члок/рипа п \-.ч;ом конусе с фотоном нпситсго поля угол рассеяния

8-№со/Е)(шс2/Е)2 « 1 ).

Получено общее релятивистское выражение для резонансного СТИ электрона на ядре при рассеянии на большие углы (в отсутствии интерференции прямой и обменной амплитуд) в области интенсивностей внешнего ноля "П « 1 . Резонансная бесконечность устранялась мнимой частью массы промежуточного электрона, которая определялась полной вероятностью (в единицу • времени) комптоновского рассеяния волны промежуточным электроном. Полученное резонансное сечение последовательно было рассмотрено в четырех характерных областях спектра излучения. При этом, были получены простые выражения для резонансного сечения в единицах обычного (без внешнего поля) сечения СТИ электрона на ядре: для перелятивистских энергий электрона (у « с, ш )

Ига =М2а-' СУ/СИ; ■ . (6) для релятивистских энергий электронов (со' ~ со)

Кгез = и т2 а-1 (тс/рЯ ; (7)

для ультрарелятивистких энергий электрона, движущегося в узком конусе с фотоном волны (<в' «<й)

Кгез = ¡5 в*1 (тсз/Е)2; . (8)

'для ультрарелятивистких энергий электрона, движущегося в узком

конусе со спонтанным фотоном (ш* » ш), в логарифмическом приближении

йгез = (3/4)яаЧп-1(Е/тс2); (9)

В выражениях'(6)-(9).функции {3 , f4, f5 в основной области энергий и углов рассеяния порядка единицы. Из данных выражений видно, что наибольшее превышение резонансного сечения СТИ электрона на ядре над соответствующим обычным сечением СТИ (без внешнего поля) имеет место в области нерелятивистских энергий электрона и может составлять 7 порядков величины последнего. В диссертации анализируются возможности экспериментальной проверки данных результатов.

Рассматривается нерезонансное СТИ электрона на ядре в световом поле. Показано, что для релятивистских энергий электрона в области умеренно сильного поля (т] « Е/тс5) сечение факторизуется

на произведение сечения СТИ электрона на ядре (без внешнего поля) и вероятность излучения и поглощения фотонов волны, которая определяется квадратом модуля функций Lg . Получено сечение тормозного излучения для нерелятивистских энергий электрона и интенсивностей волны Г| « J. Выявлены области частот, где отсутствует непрерывный фон от обычного тормозного излучения (без внешнего ноля). Показано, что для иптенсивностей r¡ « v¡ сечгнис СТИ нерелятивистского электрона на ядре факторнзуется. В днпольном приближении (р « 1) и линейной поляризации внешнего ноля нерезонансное сечение СТИ электрона на ядре переходит в выражение, полученное Карапетяном и Федоровым [*].

Изучено СТИ квазиклассически медленного электрона, рассеивающегося на ядре в поле слабой линейно поляризованной электромагнитной волны. Решение такой задачи в рамках борновского приближения по взаимодействию с полем ядра содержится в работе |*]. Борцовское приближение справедливо для достаточно быстрых электронов, энергии которых велики rio сравнений' чс- ^характерной атомной энергией (ридбергом). В: диссертации' ' рассмотрен противоположный предельный . случаи, когда -д, энергия, рассеивающегося на ядре электрона мала но сравнению с ридберговской энергией. Волновые функции медленного электрона в поле кулоновского центра описываются в рамках квазнкласснческого приближения. Рассмотрено СТИ такого электрона на ядре, сопровождающееся поглощением или испусканием одного фотона внешнего поля (в этом смысле и понимается слабость этого поля).Получено сечение (просуммированное по поляризациям испущенного спонтанного фотона, проинтегрированное по углам его вылета, просуммированное по магнитным и орбитальным квантовым числам конечного состояния электрона и усредненное по магнитному и орбитальному квантовым числам начального электрона) данного процесса. Отмечается, что ввиду квазнкласснческого начального и конечного состоянии электрона из результатов решения данной задачи с помощью тривиальных переобозначении можно получить решения

* Кпраистян Р.12., Федоров М.В. Спонтанное тормозное излучение электрона в поле интенсивной электромагнитной волны. . / ЖЗТФ. lf)7(¡. Т.70. Вып.2. С.'.77-483.

родственных .задач: . 1) спонтанное комбинационное рассеяние, сопровождающееся переходами между . высокопозбужденными томными состояниями; 2) фотоионнзация ридберговских состояний атомов, сопровождающаяся тормозным излучением ионизованных :,оектропов т том же атоме; 3) спонтанное тормозное излучение .черченных электронов. сопровождающееся их рекомбинацией после поглощения фотона имевшего ноля. В области частот спонтанного |Ыггииа.тУ2/2. < йш' < + йш , подученное квазиклассическое

ссчгнце можно проверить экспериментально, ввиду отсутствия фона от обычного тормозного излучения по Крамерсу (кроме линейчатой спг/хггры, св!1зш:тн с рекомоннацией ялектронов). Отмечается, что .и'.ги.»цсльссическ.че сечение. вообще говоря, рачительно превышает

Р^гяогрсно фотороекдение электрон- позитрониых пар па ядре .н ¡тзчтоаод! ноле. Получено общее релятивистское • выражение для ампл:пудь( данного процесса-п ноле волны эллиптической поляризации и нрои.шолыюй ии'тснсяллости. Проанализированы резонансы, связанные с выходом функции Грина промежуточного электрода' (позитрона) в поле волны на массовую оболочку. Показано, что в отсутствие интерференции прямой и обменной, амплитуд . резонансное фоторождение электрон-нозитронных нар на ядре в ноле волны эффективно сводится к двум последовательным процессам низших порядков по постоянной тонкой структуры; процесс рождения электрон-позитронной пары падающим. фотоном в поле волны и рассеяние реального промежуточного электрона (позитрона) на ядре в поле волны. В дальнейшем изучение ограничивается интецснвностями волны ■ц « 1. Здесь показано, что резонансы возможны лишь в" ультрарелятивистском-: случае, когда энергия падающего фотона превышает.некоторую пороговую энергию : йсо' > йш* - (тс2)2/Ь& и, если, по крайней мере, одна, из частиц пары находится в узком конусе с падающим, фотоном. Интерференция резонансных амплитуд (прямой и обменной) происходит/ если обе частицы пары движутся в узком конусе с падающим фотоном. Отмечается, что вблизи порога, энергии рождающихся ультрарелятивистских электрона и позитрона олизки ( Е. = Е+ = "й(о*/2 ),- а вдали, от порога - значительно отличаются друг-от друга. В -отсутствие интерференции прямой и обменной амплитуд получено резонансное сечение фоторождеиия электрон-познтроНных пар на ядре в поле световой волны

интенсивности. tj « 1. Показано, что основной вклад в резонансное сечсние внося'! слагаемые, соответствующие тому, что процесс рождения пары падающим фотоном идет за счет поглощения одного фотона внешнего поля, а процесс, рассеяния промежуточной частицы па ядре имеет, вообще говоря, многофотонный характер. Отмечается, что резонансное сечение для циркулярной поляризации внешнего поля и ч частном случае движения фотонов (падающего и внешнего ноля) Навстречу друг другу переходит в выражение, полученное Борисовым, Жуковским и др. I*]. В логарифмаческом приближении покачано, что резонансное сечение фоторождения пар на ядре с рассеянием одной из настпп пары на большие углы относительно импульса падающего Фотона может на порядок величины превышать обычное сечение ф01 (.рождений пар на ядре (без внешнего поля).

Третья глава посвящена изучению многофотонного вынужденного . тормозного эффекта (МВТЭ) при рассеяния релятивистского электрона па ядре в поле двух световых волн одного направления и различных интенсивностей и частот. В борцовском приближении по взаимодействию электрона с полем ядра в общем релятивистском случае получена вероятность рассеяния электрона на ядре в ноле двух эллиптически поляризованных волн произвольных интенсивностей, распространяющихся в одном направлении. Показано, что частоты волн должны отличаться на величину большую или порядка самих частот. В атом случае мкогофотонные процессы с. излучением (поглощением) I- фотонов первой волны и s - фотонов второй волны характеризуются функциями I|S , зависящими в общем c.iviae от десяти параметров. Вид фушеннп Ijs существенно зависит от интенсивностей н" поляризаций волн, а также от того в какой кинематической области рассеивается'электрон: в области Бупкина-Федорова или вне сё. Если интерференционные квантовые параметры а, « I , тогда процессы излучения пли поглощения фотонов первой и второй волн протекают независимо друг от друга (функции I|S = L|LS).

В случае же ос.» Z i излучение пли поглощение электроном фотонов нерпой п второй воли сопровождается виртуальными процессами

* Борисов A.B., Жуковский В.Ч., Насиров А.К., Эминов H.A. Резонансное двухфотонное рождение пар на ядре и на электроне. Известия выс. учеб. зав. " Физика". 1981. Т.24. Вып.2. С.12-15.

коррелированного получения и поглощения электронов равного числа фотонов первой и второй волн (функции I(S не распадаются на произведение функций L| и Ls , их зацепление обусловливаю^

интерференционные параметры а+ ). ' '

Рассмотрен МВТЭ релятивистского электрона на ядре в кинематической области Бункина-Федорова, где основным параметром м i гагофото ¡шости является квантовый параметр у - Детально изучен случай умеренно сильных нолей (£и << I) • Показано, что в таких полях сечение факторизуется на произведение сечения Мотта и вероятность излучения (поглощения) фотонов обеих волн, которая определяется квадратом ^ модуля функций I[S - Изучен МВТЭ электрона нсрелятивисгских м" релятивистских энергий, рассеивающегося на ядре в области сильных полей 1)-

Рассмотрен МВТЭ релятивистского электрона при его рассеянии ядре ж плоскости перпендикулярной вектору доляризации двух линейно поляризованных волн. В данной кинематической обитаете м!Ю1хх|)отонцые процессы определяются квантовыми параметрами В и. Отмечается, что в поле одной волны = 0) в этом случае электрон излучает или поглощает только -четное число фотонов . волны (излучение или поглощение нечетного'числа фотонов подавлено). В случае же двух волн, вследствие виртуальны* интерференционных процессов коррелированного излучения (поглощения) равного числа фотонов обеих ''волн-/.процессы излучения (поглощения) четного'и ¡(счетного числа фотонов первой и второй волн становятся одного порядка. Детально изучен случай умеренно сильных полей (£1>2 « 1) , Показано, что -для таких полей сечение рассеяния факторизуется на произведение сечения Мйтта и вероятность излучения или поглощения фотонов обеих волн. В области сильных полей (£1>2 - 1) изучен случай нерелятивистских энергий электрона. Показано, что сечение рассеяния электрона в плоскости перпендикулярной вектору поляризации волн при 1 и « Л, значительно превышает сечение рассеяния в

любой другой геометрии. .

Рассмотрен МВТЭ релятивистского электрона на ядре при его рассеянии в плоскости/образованной начальным импульсом электрона и волновым вектором для эллиптических поляризаций обеих волн, интенсивности которых tj^ « 1 . Здесь, многофотонные процессы

определяются: для эллиптических поляризаций (кроме циркулярных) - квантовыми параметрами , а для циркулярных поляризаций -квантовыми интерференционными параметрами а±__. Получены сечения рассеяния для релятивистских и нерелятивистских энергий электрона. Показано, что для циркулярных поляризаций волн наблюдается интерференционный эффект двух волн, связанный с тем, что п процессе рассеяния на ядре электрон коррелированно излучает и поглощает- равное число фотонов первой и второй волн (излучение и поглощение не равного числа фотонов первой и второй волн подавлено). Отмечается, что вероятность рассеяния электрона в плоскости начального импульса и волнового вектора, вообще говоря, значительно превышает вероятность рассеяния в любой другой геометрии, т.е. в таких полях (а± ^ 1, но т|| т « 1 ) имеет место существенная ассиметрня рассеяния. ,'••

Четвертая глава посвящена изучению МВТЭ электрона на ядре во втором борцовском приближении по потенциалу ядра, а также влияния магнитодипольного взаимодействия на тупельную ионизацию атомов в сильном низкочастотном электромагнитном поле.

Получено общерслятнвистское выражение для амплитуды рассеяния электрона на ядре во втором борцовском приближении по потенциалу ядра в иоле ■ эллиптически поляризованной электромагнитной волны произвольной интенсивности.Получены сечения рассеяния в области Буч i кипа-Федорова и в плоскости начального импульса и волнового вектора. Показано, , что факторизация сечения рассеяния на произведение сечения упругого процесса (и первом и во втором борцовском приближениях) и вероятность излучения (поглощении) фотонов волпы происходит для-умеренно сильных нолей в соответствующей области ( в области Пуикнпа- Федорова - £ «1: в плоскости начального импульса и волнового вектора - С, «'I ). Подчеркивается существенное'- влияние ноляри;1ации полны на процесс рассеяния электрона в плоскости, пачалык»'»' импульса и волнового вектора: циркуляр!«» полярнлоиаппая волна вообще не окалывает влияния на процесс рассеяния ( у = 0, (1 = 0).а в ноле линейно ткмярпзовлнпон волны электрон в процессе рассей и ия на ядре-излучает н поглощает лннт четное число фотонов волны (излучение и поглощение нечетного числа фотонов волны подавлено). Отмечается, существенная ассиметрия

рассеяния эдектрона в полях й. 1 и ц « 1 : сечение рассеяния в плоскости начального импульса и волнового вектора в таких полях (исключая случай циркуляркой поляризации) значительно превынадет сечение рассеяния в любой другой геометрии.

Изучено влияние релятивистских поправок (учет ч ¿и 11 мтоди п ольного взаимодействия) на угловое распределение электронов при тунельяой ионизации атомов сильным низкочастотным электромагнитным полем.. Отдельно разобраны случаи линейной и циркулярной поляризаций ноля. Показано, что в случае линейной поляризации , поля угловое распределение электронов зависит от азимутального угла к существенно ассиметрично, а для циркулярной поляризации - распределение имеет максимум на угле отличном от нуля и определяемом релятивистской Поправкой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации построена релятивистская теория квантовоэлектродинамических процессов вынужденного и спонтанного излучения при столкновениях электронов в сильном световом нмле. Основные результаты состоят в следующем. ,

1. В общем * релятивистском случае в поле световой волны, интенсивность которой т) « 1 получены резонансные сечения для следующих процессов: рассеяние электрона на электроне, спонтанное тормозное излучение электрона на ядре, фоторожденке электрон-позитронных пар на ядре. Показано, что резонансные сечения значительно превосходят соответствующие сечения рассеяния без внешнего поля. Полученные результаты согласуются с результатами численных расчетов, а также с изученными ранее предельными случаями.

2. Получены релятивистские выражения для - сечений нерезонансного рассеяния электрона на электроне и позитроне в световом поле, причем в области интенсивностей т) « 1 - для эллиптической поляризации волны, а в случае произвольных интекеивностей поля - для циркулярной поляризации. Показано, что для интенсивности светового поля, когда' квантовый параметр

Бункина-Федорова велик должно наблюдаться подавление интерференции прямого и обменного каналов данных реакций.

3. Получено сечецне для процесса нерезонансного спонтанного тормозного излучения при рассеянии релятивистского электрона на ядре, причем для релятивистских энергий электрона - в поле умеренно сильной световой волны, а в нерелятивнетско:; случае - для иптснсивностей полны Т| « 1. Найдены условия .факторизации данного сечения на произведение, сечения упругого процесса и вероятность излучения и поглощения фотонов волны. Полученные результаты согласуются с ранее изученными предельными случаями.

4. В общем релятивистском случае получено сечение рассеяния электрона на ядре в ноле двух эллиптически поляризованных световых волн произвольных интснснвиостсн и частот,. распространяющихся вдоль одного направления. Показано, что в зависимости от ' интенсивности и поляризации воли процесс рассеяния электрона может . протекать в существенно' разных кинематических областях и характеризоваться различными параметрами' многофотонности. Полученные результата совпадают, . с ранее, изученным нерелятивнстскнм случаем . (дннольное приближение). Для циркулярных поляризаций волн предсказан интерференционный эффект, происходящий при существенной ассимстрии рассеяния и заключающийся в коррелированном излучении ; и : поглощении электроном равног о числа фотонов обеих волн.

л. Рассчитано сечение рассеяния релятивистского электрона на ядпе во втором борцовском- приближении по- потенциалу ядра в-умеренно сильном световом иоле. Показано существенное влияние полиин.кщнп поля на процесс рассеяния. Для линейной поляризации светового поля предсказано ассиметрнчпое рассеяние .электрона на заданный утл, сопровождающееся излучением и поглощением четного числа фотонов волны. Полученные результаты совпадают с ранее ¡пученными I! черелятпвистском пределе.

(>. Построена квазиклассичесКая теория спонтанного тормозного излучения медленного электрона на ядре в поле слабой алоктромагии гнои полны. Результаты используются в задачах: сноиташюе комбинационное рассеяние, сопровождающееся переходами между высоковозбуждеиными атомными состояниями; фотоионизацн:» ридберговскнх состояний атомов, сопровождающаяся тормозным излучением ионизованных электронов на том же атоме; спонтанное

тормозное излучение медленных электронов, сопровождающееся их рекомбинацией после поглощения фотона внешнего поля. Указаны области частот спонтанного фотона, где результаты могут быть проверены экснериме: тально. .

7. С учетом релятивистских поправок рассчитано угловое распределение электронов при тунельной ионизации атомов сильным низкочастотным электромагнитным нолем. Показано, что в случае .пшенной поляризации волны угловое распределение зависит от азимутального угла и резко ассиметричио. а для циркулярной поляризации - распределение имеет максимум на угле отличном от пуля и определяемом релятивистской поправкой.

По диссертации автором выполнено 27 научных работ. .

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Рощуикин С.П. Спонтанный тормозной эффект при рассеянии электронов в поле плоской электромагнитной волны. // Пзвссгня высших учебных заведений, Физика. 19S3. Вып.4.С.8-22.

2. Ротункии С.П. Резонансные эффекты при фоторождении

с- - с*. - пар в поле плоской -электромагнитной волны.// Известия высших учебных заведений, Физика. 1983. Вып.8. С. 12-15.

3. Краппов. В.П., Рощушсин С.П. Тормозное излучение медленного электрона па кулошнзеком центре во внешнем электромагнитном ноле.// ЖЭТФ. 1983. Т.84. Вып.4. С. 1302-1."309.

. 4. Рощупкнн . С.П. ; Вьшуаденмый тормозной эффект при рассеяний электронов в сильном электромагнитном поле. //'Оптика и спектроскопия. 1984. Т.56'. Вып. 1. С.Зб-40.

3. Fedorov _M.V. and Rosbchupkin S.P. Suppression of Interférence in . e - e Scattering' by the Field of a Stro/ig Elccfroma^nctic Wave; •/'/' J. Phvs. A: Marh. Gen. 19S4. V.17. Р.ЗИЗ-ЗИУ.

fi. Рощупкии C.II. Тормозное излучение релятивистского электрона на ядре в сильном электромагнитном поле.// Ядерная физика. 198.1 Т,41. Вы'п.5. С.1244-Ш7.

7., Лысенко А.В., Рощупкпн С.П. Подавление интерф/сроншш при рассеянии электрона' на позитроне в сильном электромагнитном '" ноле; 'у.-' Украинский-физичсскии журим. 1991. T.3t>.' ,4s 1.' С.7-12;

8.. Рощупкин С:П. Нерезонапсное мёллероиское рассеяние электронов в поле плоской электромагнитной волны произвольно!' интенсивности.// Украинский физический журнал. 1991. Т.36. .\в7. С .5)67-973.

9.Gorodnitskii R.L.. and Roshchupkin S.P. Induccd Bremsstrahlung Process for a Relativistic Electron Colliding with a Nucleus in a Field of Two Electromagnetic Waves of Arbitrary Intensities and Frequencies.// Laser Physics. 1992. V.2. >&4. P.fi02-tt08.

10.Krainov VP. and Roshchupkin S.P. Relativistic Effects in Angular Distributions of Ejected Electrons at Tunneling Ionization of Atoms by Electromagnctic Fields.// JOSA B. 1992. V.9. M>10. P.2014-2017 1

111 Krainov V:P. and Roshchupkin S.P. Angular Distribution of Electrons in the Tunneling Ionization of Atoms by an AC Field: Influence of the Magnetic-Dipole Interaction.// Laser Physics. 1992. V.2. Mt>3. P.299-302.

12.Roshchupkin S.P. Electron Scattering on the Nuclcus in the Field of a Plane Electromagnetic Wave: Sccond-Order Born Approximation.// Laser Physics. 1993. V.3. Ш. P.414-417.

13.Denisenko O.I. and Roshchupkin S.P. Nonresonancc Scattering of an Electron by a Positron in the Field of a Plane Electromagnetic Wave of an Arbitrary Intensity.// Laser Physics. 1993. V.3. №4-P.903-909.

14.Roshchupkin S.P. Resonance Scattering of Electron by an Electron in the Field of a Light Wave: General Relativistic Case. Laser Physics. 1994. V.4. №1. P. 139-147.

15.Ро1цуакни С.II. Интерференционный жрфект при рассеянии электрона па ядре в иоле двух плоских электромагнитных воли./' ЖЭТФ. 1994. Т. НИ;. Выи.1(7). С. 102-118.