The Effects of gravitational aaves on a Hydrogen atom

ผลกระทบของคลื่นความโน้มถ่วงต่ออะตอมไฮโดรเจน

Name: Nontapat Wanwieng

LCSH: Hydrogen -- Analysis

LCSH: Hydrogen

LCSH: Atoms

Abstract: This thesis explores the use of atoms as probes for gravitational waves, which are ripples in the curvature of spacetime that propagate at the speed of light. Specifically, we study the effects of gravitational waves on a freely falling hydrogen atom by describing the electron’s behavior using the Dirac equation generalized to curved spacetime. We consider the Coulomb interaction between the electron and proton using Maxwell’s equations in curved spacetime and model gravitational waves as classical fields within the linearized theory of general relativity. We derive the Hamiltonian of the atom interacting with a gravitational wave, accurate to the first order in the wave amplitude, and use the Foldy- Wouthuysen transformation to obtain its non-relativistic limit. This yields non-relativistic terms and relativistic corrections that cause energy level shifts, with the most dominant effect arising from tidal gravitational interactions. Using first-order perturbation theory, we analyze the resulting energy shifts and atomic spectra and find that highly excited atoms are more sensitive to gravitational waves, particularly high-frequency waves generated by specific sources. The energy shifts induced by the gravitational wave are proportional to the waveform, the squared frequency of the wave, and the fourth power of the principal quantum number of an atomic state. This sensitivity makes highly excited atoms a promising tool for probing high-frequency gravitational waves as an imprint in the atomic spectra.

Abstract: วิทยานิพนธ์นี้สืบเสาะการใช้อะตอมเป็นตัวตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่างซึ่งคือระลอกของความโค้งของ กาลอวกาศที่แฝกระจายออกไปด้วยอัตราเร็วแสง เราศึกษาผลกระทบของคลื่นความโน้มถ่วงต่ออะตอม ไฮโดรเจนที่ตกอย่างอิสระ โดยพฤติกรรมของอิเล็กตรอนถูกบรรยาย ด้วยสมการดิแรกใน รูปทั่วไปบนกาล อวกาศโค้ง เราพิจารณาอันตรกิริยาคูลอมบ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอนโดยใช้สมการแมกซ์เวลล์สำหรับ กาลอวกาศโค้งและจำลองคลื่นความโน้มถ่วงเป็นสนสนามแบบฉบับตามกรอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแบบเชิง เส้น เราพิสูจน์หาฮามิลโทเนียนของอะตอมที่ทำอันตรกิริยากับคลื่นความโน้มถ่วงแม่นย่าถึงอังอันดับขนาดกำลัง หนึ่งของแอมพลิจูดคลื่น และใช้วิธีของโฟลดี-วุธเซนส์ในการประมาณฮามิลโทเนียนในขีดจำกัดไม่สัมสัมพัทธภาพ ซึ่งฮามิลโทเนียนประกอบด้วยเทอมไม่สัมพัทธภาพและเทอมปรับแก้เชิงสัมพัทธภาพที่ทำให้เกิดการเลื่อน ของระดับพลังงาน โดยเทอมที่มีผลโดดเล่นที่สุดคืออันตรกิริยาความโน้มถ่วงไทดัลของคลื่น เราใช้ทฤษฎีการ รบกวนอันดับหนึ่งในการวิเคราะห์การเลื่อนของระลับพลังงานและสเปกตรัมของอะตอม และพบว่าอะตอมใน สถานะกระตุ้นสูง ๆ มีความไวต่อคลื่นความโน้มถ่วงมากกว่าอะตอมในสถานะพลังงานต่ำ โดยเฉพาะต่อคลื่น ความโน้มถ่วงความถี่สูงจากแหล่งกำเนิดบางประเภท การเลื่อนของระดับพลังงานของอะตอมแปรผันตรงกับ รูปคลื่น กำลังสองของความถี่คลื่น และกำลังสี่ของเลขควอนตัมหลักของอะตอม ความไวนี้แสดงให้เห็นถึง ศึกยภาพในการใช้อะตอมในสถานะกระตุ้นสูง ๆ เป็นเครื่องมือตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงความถี่สูงจากรอย พิมพ์ในสเปกตรัมของอะตอม

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Role: Member

Name: Narupon Chattrapiban

Role: Advisor

Name: Suwicha Wannawichian

Role: Advisor

Name: Apimook Watcharangkool

Role: Advisor

Created: 2023

Modified: 2025-09-23

Issued: 2025-09-23

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Physics

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	610555915.pdf	1.97 MB

ใช้เวลา

0.021469 วินาที