Atomic Electrons as Sensitive Probes of Nuclear Properties and Astrophysical Plasma Environments: A Computational Approach

För att beskriva lagarna som styr den fysiska världen, behöver vi studera materiens struktur och hur dess olika delar växelverkar. Den grundläggande byggstenen för all känd materia i universum är atomen, vilken består av elektroner som rör sig runt en atomkärna. Atomen är ett kvantiserat mångkropparsystem, vars struktur karakteriseras av de diskreta och för ämnet unika energinivåer. Växelverkan mellan elektronerna och interna- och externa elektromagnetiska fält leder till energiövergångar genom absorption eller emission av fotoner med väldefinierade energier. Dessa övergångar medför att elektronerna hoppar från ett tillstånd till ett annat, varvid atomens energinivå ändras. Eftersom energinivåerna är unika för ämnet, så blir på motsvarande sätt energierna för övergångarna mellan dessa nivåer unika.

Vår kunskap om universums skapelse och utveckling kommer i huvudsak från ljuset som sänds ut från atomerna i stjärnorna. Ljuset uppdelas i ett energispektrum, med spektrallinjer med olika energier och intensiteter. Spektrallinjernas energier, eller positioner, avslöjar vilka ämnen som bygger upp stjärnorna, och från linjernas intensitet kan förekomsten av de olika ämnena bestämmas. För att tolka observerade spektra behövs atomär referensdata. Dessa data kan bestämmas via laboratoriemätningar, men dessa är ofta dyra och tidskrävande. Data från experiment täcker inte heller behoven fullt ut. Det är därför nödvändigt att utveckla och förbättra kvantmekaniska modeller och teorier, vilka beskriver atomens energinivåer och övergångarna mellan nivåerna. Baserat på dessa modeller kan sedan beräkningar utföras, vilka ger de tillåtna energinivåerna och sannolikheterna för energiövergångar. Exempel på sådana beräkningar presenteras i Artiklarna I-III för ett antal joner i kol och aluminium. Atomär data som karakteriserar hur atomer påverkas av externa magnetiska fält beskrivs i Artikel IV.

Även om atomkärnan är ungefär 10,000 gånger mindre än atomen, så har dess massa och utsträckta laddningsfördelning en mätbar effekt på atomens energispektrum. För ett givet ämne uppvisar spektrallinjerna från olika isotoper ett litet energiskift, känt som isotopskiftet. I atomer med kärnor med ett totalt rörelsemängdsmoment skilt från noll växelverkar kärnans elektromagnetiska moment med det eletromagnetiska fältet genererat av elektronerna. Denna växelverkan leder till en experimentellt mätbar uppspaltning av energinivåerna, känd som hyperfinstruktur. Atomens elektroner är alltså känsliga prober, vilka känner av egenskaperna hos kärnan. I Artiklarna V-VII visar vi hur modellering av isotopskift och hyperfinstruktur kan kombineras med experimentell data, för att bestämma kärnornas laddningsfördelningar och elektromagnetiska moment. Sådan modelloberoende information kan sedan användas för att validera kärnstrukturberäkningar baserade på olika effektiva krafter mellan nukleonerna i kärnan. Tillsammans är en ökad förståelse för kärnornas struktur och dynamik viktig för vår övergripande bild av universum, då kärnsyntes är tätt knuten till stjärn- och galaxutveckling.