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編輯推薦: |
本书是诺贝尔物理学奖获得者Claude Cohen-Tannoudji教授的一本非常精彩的研究生教材著作。在物理学界,特别是原子分子和光物理学界,产生了巨大的影响。定位是研究生教材和相关科技人员的参考书目。
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內容簡介: |
本文着重研究原子分子物理、量子光学和激光物理中光和原子相互作用。光子的各种基本过程,包括发射、吸收、散射或者原子之间的交换作用,都用图示法进行了详细的描述和刻画。本文介绍了多种不同的理论方法,包括:微扰法,豫解法,主方程法,郎之万方程法,光学布洛赫方程法,原子光子缀饰态法。每种方法都自洽地描述,读者可以单章独立阅读。通过对一些简单和重要物理现象的分析,对各种方法的优势和局限性进行了详细的阐述。
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關於作者: |
颜波,浙江大学百人计划研究员博士生导师。
2000-2004年,浙江大学 本科
2004-2009年,上海光机所 博士
2009-2011年,中科大微尺度国家实验室,博士后
2011-2015年,美国科罗拉多大学JILA,博士后
2015年入选国家青年千人。同年,回浙江大学物理系任职。
颜波博士长期从事冷原子,冷分子研究。特别是关于三维光晶格中超冷分子的研究,第一次实验观测到超冷分子的偶极自旋交换作用。文章以颜波博士为第一作者发表在Nature杂志上。至今,颜波博士共发表 SCI 文章20多篇,包括1篇Nature,1篇Science,6篇Physical Review Letter,引用次数超过900次。
景俊,教授博士生导师
上海交通大学物理系本科(1998~2002)、硕博连读(2002~2007),2007年获理论物理博士学位。上海大学物理系讲师、副教授(2007~2014)。美国史蒂文斯理工学院博士后(2010~2012)。西班牙巴斯克大学理论物理系(2013、2015)、美国纽约大学水牛城分校物理系(2013~2014)
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目錄:
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第1章电动力学中的跃迁几率幅 1
11物理过程中的几率幅 1
12跃迁几率幅的时间依赖关系 3
121分立能级间的耦合 3
122分立能级和连续谱之间的共振耦合 4
123连续谱内或连续谱之间的耦合 5
13电动力学中的应用 7
131库仑规范下的哈密顿量 7
132按电荷量 q的幂次展开 8
133按横场的作用强度幂次展开 8
134在粒子哈密顿中包含库仑相互作用的优势 9
135跃迁几率幅的图示法 10
14补充材料:跃迁几率幅的微扰计算 一些有用的公式 12
141相互作用表象 12
142跃迁几率幅的微扰展开 13
143跃迁几率 17
15补充材料:用等效哈密顿量描述微扰效应 22
151序言和目标 22
152方案的基本原理 24
153确定等效哈密顿量 25
154两个相互作用系统的情况 27
16补充材料:离散能级耦合到宽带连续谱 一个简单模型 28
161模型的描述 29
162系统的稳态:在新连续谱中追踪离散态 30
163模型的应用例子 33
164推广到更实际的连续谱 不通过离散化的哈密顿量对角化 39
第2章光与原子相互作用一览 42
21辐射过程:一个新光子的产生 42
211两个离散态之间的自发辐射 原子激发态的辐射衰减 43
212连续谱和离散态之间的自发辐射 46
213离化连续谱中两态之间的自发辐射 轫致辐射 47
22吸收过程:一个光子的消失 48
221两个离散态之间的吸收 48
222离散态和连续态之间的吸收 49
223两个离化连续态之间的吸收:逆轫致辐射 51
224光场初态对吸收过程动力学的影响 51
23散射过程:一个光子消失,另一个光子产生 53
231散射振幅 图示法 53
232光子被原子或分子系统散射的不同类型 55
233共振散射 58
24多光子过程:若干光子的产生或者消失 61
241双光子自发辐射 61
242两个离散态之间的多光子吸收 以及受激辐射 62
243多光子电离 64
244谐波产生 65
245多光子散射和准共振散射 66
25辐射修正:光子辐射再吸收 或吸收再辐射 68
251自发辐射修正 69
252受激辐射修正 72
26交换光子诱导的相互作用 74
261两个带电粒子间交换横向光子:库仑相互作用的一阶修正 74
262两个中性原子间的范德瓦尔斯相互作用 76
27补充材料:光探测信号和关联函数 79
271原子型光探测器的简单模型 80
272激发几率与关联函数 81
273宽带光探测 86
274窄带光探测 88
275双光探测信号 91
28补充材料:泡利 -菲尔兹表象下的辐射修正 93
281泡利-菲尔兹变换 94
282新表象下的可观测量 97
283物理讨论 100
第3章跃迁几率幅的非微扰计算 105
31演化算符和预解式 106
311演化算符满足的积分方程 106
312格林函数-传播子 106
313哈密顿量的预解式 108
32微扰级数的形式化重组 109
321解释一个简单模型的图示法 109
322使用投影算符的代数方法 111
323一些近似的介绍 115
33案例研究 117
331原子激发态的演化 117
332激发态原子自发辐射光的谱分布 122
333系统离散能级和连续谱的非直接耦合:兰姆位移的案例 127
334离散能级间的间接耦合:多光子跃迁 132
34补充材料:预解式的解析性质 137
341预解式在实轴外的解析性 137
342实轴上的奇点 139
343预解式在解析延拓后的非稳态和奇点 140
344围道积分与对指数衰减的修正 142
35补充材料:被原子散射的光子散射振幅的非微扰表达式 143
351未扰动态之间的跃迁几率幅 144
352引入精确渐近态 148
353精确渐近态之间的跃迁几率幅 150
36 补充材料:耦合到有限带宽连续谱的离散态 从魏斯考夫-维格纳指数衰减到拉比振荡 154
361引子 154
362模型描述 155
363重要物理参量 158
364图像讨论 160
365弱耦合极限 162
366中度耦合以及临界耦合 163
367强耦合 164
第4章被当作热库的辐射:粒子主方程 167
41引子与综述 167
42推导与热库 R相互作用的小系统 A的主方程 169
421相互作用表象下的小系统演化方程 169
422关于热库的假设 170
423小系统的粗粒化变化率的微扰计算 173
424能量态基底下的主方程 175
43主方程的物理内涵 177
431布居数的演化 177
432相干项的演化 179
44近似的讨论 180
441 A演化时间的量级 180
442存在两个时间尺度的条件 181
443微扰展开成立的条件 181
444 t时刻整体密度算符的因式化 181
445小结 182
45应用到与辐射场耦合的二能级原子 183
451内部自由度演化 183
452原子速度的演化 188
46补充材料:涨落与线性响应在辐射过程中的应用 196
461统计函数和主方程的物理诠释 196
462应用到辐射过程 203
47补充材料:阻尼谐振子的主方程 209
471物理系统 209
472主方程的算符形式 210
473 HA基底上的主方程 212
474在相干态基底下的主方程 214
目录 XIII
48补充材料:简单物理系统的量子朗之万方程 217
481经典布朗运动理论综述 218
482阻尼谐振子的海森伯-朗之万方程 222
第5章光学布洛赫方程 230
51二能级原子的光学布洛赫方程 231
511入射场的描述 231
512独立变化率近似 231
513旋转波近似 233
514赝自旋 12系统的几何表示法 235
52物理讨论 布洛赫方程与其他演化方程的不同 237
521与弛豫方程的不同:布居项和相干项之间的耦合 237
522与哈密顿演化方程的不同 238
523与海森伯-朗之万方程的不同 238
53第一个应用 原子平均值的演化 239
531内部自由度 239
532外部自由度与平均辐射力 241
54原子辐射光的性质 247
541光探测信号:辐射偶极矩的单时和双时平均值 247
542辐射光的总光强 249
543稳态下散射光的谱分布 251
55补充材料:布洛赫 -朗之万方程和量子回归定理 253
551原子和场的耦合海森伯方程 253
552海森伯-朗之万方程的推导 257
553朗之万力的性质 260
第6章缀饰态原子方法 266
61引言:缀饰态原子 266
62缀饰态原子的能级结构 267
621激光束的模型 267
622原子加激光场总系统的非耦合态 268
623原子-激光耦合 269
624缀饰态 271
625吸收和受激辐射的物理效应 272
63缀饰态共振荧光的级联辐射诠释 272
631相关时间尺度 273
632未耦合基矢的级联辐射 273
633缀饰态基矢下的级联辐射 275
64缀饰态原子的主方程 278
641主方程的一般形式 278
642久期极限下缀饰态基底上的主方程 279
643级联辐射的准稳态 284
65若干应用的讨论 285
651荧光三重态各分量的宽度和权重 285
652弱探测光的吸收谱 289
653光子关联 292
654偶极力 297
66补充材料:射频波段中的缀饰态原子 301
661能级交叉或反交叉有关的共振 301
662射频光子缀饰的自旋 21 系统 306
663圆偏振光子的简单案例 309
664线偏振的射频光子 314
67补充材料:激光场存在时的碰撞过程 321
671无激光场激发时的碰撞弛豫 322
672存在激光场辐射时的碰撞弛豫 324
673碰撞诱导的原子辐射和光吸收的修正:碰撞再分布 328
674碰撞转移率的计算方案 334
习题集 337
习题 1原子激发态辐射寿命计算:与经典偶极矩阻尼时间的比较 337
习题 2被囚禁离子的光子自发辐射:兰姆 -迪克效应 339
习题 3瑞利散射 343
习题 4汤姆孙散射 346
习题 5共振散射 348
习题 6原子的两个激发态之间能级交叉的光学探测 351
习题 7原子能级的辐射位移:兰姆位移的贝特公式 354
目录 XV
习题 8轫致辐射:势场内弹性散射的辐射修正 362
习题 9低频轫致辐射:红外灾难的非微扰处理 369
习题 10与辐射场相互作用导致的粒子回旋频率修正 375
习题 11自旋之间的磁相互作用 380
习题 12由磁场真空涨落耦合导致的原子磁矩修正 385
习题 13波包引起的原子激发:宽带激发和窄带激发 388
习题 14近邻双原子系统的自发辐射:超辐射和亚辐射 391
习题 15简谐振子的级联辐射 394
习题 16细致平衡原理 399
习题 17处在相干态的量子场与外场的等价性 401
习题 18相干项的绝热消除以及从光学布洛赫方程到弛豫方程的变换 404
习题 19二能级原子系综的非线性极化率及若干应用 406
习题 20与强光作用的原子对探测光的吸收:饱和吸收的应用 409
附录库仑规范下的量子电动力学 必要结果汇总 419
附录 1电磁场的描述 419
附录 2粒子 425
附录 3库仑规范中的哈密顿量和动力学 425
附录 4状态空间 428
附录 5长波近似和电偶极表象 429
参考文献 433
索引 435
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內容試閱:
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译者序
我在研究生时期读到了
Atom-photon
Interation:
Basic
Processes
and
Applications
时,当时惊为天人。发现很多似懂非懂的概念,书里面讲得透彻明白。它清晰地讲述了各种理论方法所隐含的假设以及适用的条件,给人一种醍醐灌顶的感觉。当时我就像个在海滩上看到美丽珍宝的小孩,兴奋而略带伤感,感叹为什么没有早点遇到这本书。也就是在那个时候萌生了一个想法:如果有机会,我要把它翻译成中文,让更多的朋友读到这本书。
到浙江大学工作后,我和景俊老师聊起这个想法,两人一拍即合,决定共同翻译这本书。
本书是处理光与原子相互作用问题的经典名著,虽然成书已经几十年了,但是它使用的语言仍然是我们现在处理问题所用的语言,所关心的问题也是现在常使用的典型案例,丝毫没有过时。本书充满了物理思想的光辉,把我们熟悉的公式背后的物理思想的脉络清晰地展现出来。书中一些看起来自然而然的东西其实是经过各种精巧近似处理后得到的智慧结晶。这本书极好地结合了实验和理论,它的数学处理技巧高超但绝不掩盖
相应的物理内涵,这一特点在类似教材中不可多见。
法国的原子物理学派在现代原子物理的发展中起到重要作用,本书主要作者克劳德科恩 -塔诺季( Claude
Cohen-Tannoudji)先生正是其中的代表人物,他曾经获得 1997年的诺贝尔物理学奖。虽然他是因激光冷却原子的理论工作而获得诺贝尔物理学奖,但是大家认为他提出的缀饰态的理论更具深远的意义。本书第
6章专门对缀饰
态方法有详细的讲述,是学习此方法的绝佳教材。
科学专著的翻译有个两难问题。一方面需要阅读此书的基本上是专业人士,而他们往往可以熟练阅读外文。翻译版多经过一手,中间难免产生错误,费力不讨好。喜欢读外文版的读者建议直接阅读原著。另一方面,我们也看到国内有些经典教科书的翻译,确实影响了更多的人,产生了很好的正向意义。因此翻译这样一本名著,还是有它的价值所在。当然在这样一本名著面前,我们还是觉得诚惶诚恐。一方面很荣幸有机会做这个工作,另一方面对翻译过程中可能产生的错误感到惶惶不安。如果读者发现其中有不妥的地方,可以直接发送电子邮件告诉我们,我们将利用再版的机会进行修改。
本书翻译的基本分工如下:颜波翻译第 1、2、5、6章,景俊翻译第 3、4章、练习题及附录部分。两人一起参与统稿。
颜波2020年
12月于浙江大学
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