Каждый элемент в атоме имеет соответствующий его движению по беровской орбите орбитальный момент l. Это движение электрона по орбите можно рассматривать как круговой ток, в результате чего возникает магнитный момент, соответствующий такому движению.

Величина магнитного момента, связанного с орбитальным движением, в классической механике была бы пропорциональна величине орбитального момента. Но у электрона есть еще и собственный момент – спин. Со спином также должен быть связан магнитный момент.

В результате магнитный момент частицы оказывается пропорционален полному механическому моменту (сумме орбитального и спинового моментов).

Важно иметь в виду, что моменты – механические и магнитные – векторные величины. В квантовой механике разработаны определенные способы их суммирования и вычисления магнитных моментов атомов.

Существует ряд методов измерения ядерных моментов; ниже обсуждаются некоторые из них.

Оптическая спектроскопия. Один из наиболее важных методов измерения ядерных моментов основан на изучении так называемой сверхтонкой структуры атомных спектров, для возбуждения которых в настоящее время часто используют лазеры. Значение спина можно определить по числу компонент спектральных линий или по относительной интенсивности линий. Спин, магнитный момент и электрический квадрупольный момент можно определить по расстоянию между компонентами или по влиянию магнитного поля на линии. Спин можно также определять по полосатым спектрам двухатомных молекул.

Методы молекулярных пучков. Методы молекулярных пучков, разработанные О.Штерном, И.Раби, Н.Рамзеем, У.Ниренбергом и другими исследователями, особенно эффективны при исследовании ядерных моментов. Известен ряд методов молекулярных пучков. В одном из них, применявшемся Штерном для измерения ядерных моментов водорода и дейтерия, использовались молекулярный водород и установка, в принципе сходная с установкой в опыте Штерна и Герлаха. Поскольку в молекулярном водороде магнитные моменты электронов почти точно компенсируют друг друга, наблюдаемое отклонение обусловлено, главным образом, магнитным моментом ядра. Поэтому измеренное отклонение позволяло определить ядерный магнитный момент. В экспериментах с пучками, проведенных Раби с сотрудниками, использовались атомы с отличным от нуля электронным магнитным моментом, из которых формировался атомный пучок, пропускавшийся через один или два отклоняющих магнитных поля такого же типа, как в опыте Штерна – Герлаха. Путем подбора магнитных полей и исследования картины отклонения или перефокусировки пучка атомов удалось получить сведения о связи ядерных и электронных моментов. Таким путем удалось измерить спины ядер, а также характеристики взаимодействия ядерных магнитных моментов и электрических квадрупольных моментов.

Наиболее эффективным методом изучения ядерных моментов, по-видимому, следует считать измерение поглощения атомами и молекулами электромагнитного излучения радиочастотного и микроволнового диапазонов. Как и в оптической спектроскопии, поглощение излучения молекулой происходит на частоте n, отвечающей значению hn = DE, где DE – разность энергий двух состояний, соответствующих разрешенному переходу. В случае простого магнитного момента m ядра со спином I, находящегося в магнитном поле Н, величину DE можно вычислить теоретически, и оказывается, что резонанс происходит на частоте n, такой, что hn = mH/I, где m – магнитный момент ядра. В этом соотношении h – постоянная Планка, а поэтому, измерив H и n, можно найти отношение магнитного момента к спину. Если же взаимодействие в молекуле оказывается более сложным, то равенство величин DE и mH/I нарушается и поглощение излучения происходит на частотах, отличающихся от соответствующих равенству hn = mH/I. Дополнительное взаимодействие может иметь место в случае ядра, обладающего электрическим квадрупольным моментом, т.к. этот момент может взаимодействовать с неоднородным электрическим полем, создаваемым зарядами других атомов молекулы, в состав которой входит ядро. В этом случае частоты, на которых происходит поглощение, позволяют определить электрический квадрупольный момент ядра.

Описанный выше метод, основанный на поглощении радиочастотного излучения, впервые был успешно применен в 1937 И.Раби с сотрудниками и получил название метода магнитного резонанса на молекулярных пучках. Для регистрации факта поглощения Раби исследовал влияние поглощения на отклонение молекул в молекулярных пучках. Схема его экспериментальной установки приведена на рисунке. Молекулы из «печи» (термического источника) попадают в вакуумную камеру, в которой имеются магниты А и В, создающие неоднородные магнитные поля, направления неоднородностей который противоположны. В магните А молекулы отклоняются так, как это происходит в опыте Штерна и Герлаха, а затем перефокусируются магнитом В на детекторе при условии, что входящие в состав молекулы магнитные моменты одинаково ориентированы в А и В. Но если один из моментов переориентируется в средней области С, то перефокусировка не происходит и интенсивность пучка уменьшается. Поэтому в области С создают однородное магнитное и осциллирующее радиочастотное поля и измеряют поглощение радиочастотного излучения, регистрируя уменьшение интенсивности пучка. Типичные результаты эксперимента, проведенного с молекулами тяжелого водорода, представлены на рисунке. Это – зависимость интенсивности пучка от напряженности однородного магнитного поля в области С. Самый глубокий центральный минимум интенсивности пучка соответствует частоте n и напряженности поля H, которые связаны соотношением hn = mH/I (см. выше), так что эти данные позволяют определить отношение магнитного момента к спину. Менее глубокие дополнительные минимумы обусловлены электрическим квадрупольным моментом; по их положению можно определить электрический квадрупольный момент ядра тяжелого водорода, или дейтрона. Рамзей показал, что более высокой точности в измерении резонансных частот удается достичь, если создавать осциллирующие поля в двух узких промежутках – в начале и конце области С.

(18.49 Кб) (9.51 Кб)

Для изучения полярных молекул Раби и его сотрудники применили метод электрического резонанса на молекулярных пучках не с магнитными, а с электрическими отклоняющими, перефокусирующими и осциллирующими полями. Этот метод оказался особенно ценным для исследования взаимодействия ядерных электрических квадрупольных моментов.

назад   дальше