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

Sammanfattning: This thesis deals with the relativistic modeling of atoms and ions. To interpret the stellar spectra and gain more insight from astrophysical observations, the underlying processes that generate the spectra need to be well understood and described. Examples of such processes are the interactions of atomic electrons with internal and external electromagnetic fields and with the nucleus.By exploring different computational methodologies, Paper I analyzes how the transition probabilities, of transitions involving high Rydberg states, depend on the gauge and the orbital set that is used in the calculations. Papers II and III contain large homogeneous data sets of parameters related to atomic radiative processes, namely transition energies, transition probabilities, weighted oscillator strengths, and lifetimes of excited states, for carbon and aluminium systems. These parameters are essential in astrophysical applications, e.g., in abundance and plasma analyses of stars. In addition, Paper IV presents extended data of Landé g-factors, used to characterize the response of spectral lines to a given value of an external magnetic field. The description of effects arising from the interplay between atomic electrons and nuclei, such as hyperfine structure splittings and isotope shifts, requires that the nuclear structure properties giving rise to these effects are well determined. This is, however, not always the case; as we move away from the valley of stability, data of nuclear structure observables are scarce. High-resolution measurements of hyperfine structures and isotope shifts, combined with first-principles atomic structure calculations, are commonly used to probe the structures of nuclei, including short-lived and radioactive systems. In Papers V and VI, measurements of the hyperfine structure in neutral tin were combined with atomic structure calculations to extract the electric quadrupole moments of tin isotopes. Paper VII presents a novel method that combines experimental isotope shifts and calculations of atomic parameters to probe details of nuclear charge density distributions, other than charge radii.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 $10^4$ 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 kär- \newpage nan. 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.