Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Поэтому молекулярные пучки применяются сравнительно редко. 7. Широкое распространение получил не менее точный, но более простой в экспериментальном отношении метод магнитного резонанса, в котором используются макроскопические количества вещества в твердом, жидком или газообразном состоянии. Атомы, молекулы или ионы такого вещества должны обладать магнитными моментами— электронными илн ядерными. При помещении исследуемого образца в сильное постоянное магнитное поле В в результате междуатомных столкновений спустя короткое время устанавливается состояние равновесия, в котором образец оказывается намагниченным.
Это— электронный или ядерный парамагнетизм, а потому метод и получил название ЭПР или ЯМР. Частица, магнитный момент которой ориентирован по полю, обладает меньшей энергией, чем такая же частица с магнитным моментом, ориентированным против поля. По формуле Больцмана в состоянии равновесия число первых частиц будет больше, чем вторых.
Иными словами, нижние подуровни зеемановского расщепления окажутся заселенными больше, чем верхние. Оценим разность заселенностей подуровней при комнатной температуре Т = 293 К в предположении, что магнитный момент частицы равен одному магнетону Бора, тп = 9,27 10 Рл эрг/Гс, а В = 5 10в Гс. Если пэ — число частиц на верхнем подуровне йг, а п1 — на нижнем подуровне йы то по формуле Больцмана пт йг — !ее бг — Уе 2тВ и, "Р И. 1+ ЫТ 1+ йТ 4 42) Магнитный резонанс 257 так что — — = —;- =2,3 10 н аТ Значит, разность заселенностей двух соседних подуровней составляет всего около 0,2% от заселенности одного из этих подуровней.
Несмотря на столь ничтожную величину этой разности, она может проявиться макроскопически, поскольку число частиц на каждом подуровне весьма велико. При вынужденном переходе частицы с верхнего подуровня на нижний испускается квант энергии, соответствующий разности энергий этих подуровней. При переходах с нижнего уровня на верхний расходуется энергия радиочастотного поля. Спонтанные переходы с излучением энергии из-за их относительной редкости могут не приниматься во внимание. В результате поглощение энергии будет превалировать над излучением, несмотря на то, что вероятности прямых и обратных переходов одинаковы (см.
т. 1у', 2 119). Такой разностный эффект досгигнег максимума при совпадении частоты радиочастотного поля с ларморовской частотой прецессирующей частицы, т.е. при резонансе. В максимуме поглощения энергии радиочастотного поля вблизи ларморовской частоты и проявится магнитный резонанс. В результате преобладающих переходов частиц с нижних уровней на верхние энергии подуровней начну"г выравниваться.
Этому препятствуют релаксационные процессы, стремящиеся восстановить первоначальное равновесное состояние. Поэтому, чтобы магнитный резонанс был выражен достаточно резко, необходимо, чтобы период радиочастотных колебаний был мал по сравнению со временем релаксации, в течение которого восстанавливается равновесное состояние. 8. Электронный парамагнитный резонанс был открыт Е.К.
Завойским (1907 — 1976) в 1944 г. Его первые наблюдения были произведены на солях группы железа. В дальнейшем круг изучаемых веществ значительно расширился. Завойский производил свои исследования с радиоволнами дециметрового диапазона, а потому в соответствии с формулой (42.2) пользовался магнитными полями В небольшой напряженности.
В связи с развитием техники ультракоротких волн позднее в методе ЭПР стали применять радиоволны сантиметрового диапазона. В современных радиоспектроскопах частоту радиосигнала поддерживают постоянной, а магнитное поле В модулируют низкой частотой (50 Гц). Схема радиоспектроскопа показана на рис. 78. Электромагнит ДгЯ питается постоянным током и создает сильное постоянное магнитное поле. Это поле модулируется катушками КК, питаемыми переменным током с частотой 50 Гц. Исследуемый образец А объ- Рис. 78 емом в несколько ммэ помещают в объемный резонатор Л, настроенный на длину волны Л - 3 см. Электромагнитные волны такой длины генерируются отражательным клистроном Э д.н. Сивухнн. т.у 258 Двльнейеиее построение квантовой механики и епектри (ГлЛ и подводятся к резонатору 1ь' через волновод 7г.
После частичного поглощения в образце А они, также через волновод, поступают к кристаллическому кремний-вольфрамовому детектору О, где детектируются и могут быть усилены. Парамагнитное поглощение может быть обнаружено, если детектор соединить с чувствительным гальванометром. Еще ббльшая чувствительность достигается, если сигнал от детектора, усиленный усилителем У, развернуть на экране осциллографа (нс указанного на рис. 78). Сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины осциллографа. Горизонталыюе отклонение фиксирует мгновенное значение магнитного поля В.
Это отклонение должно быть сфазировано с модуляцией магнитного поля В . На экране осциллографа получается кривая парамагнитного поглощения вещества, аналогичная кривой рис. 77. Современные радиоспектроскопы при нормальной температуре позволяют обнаруживать ЭПР в образцах, содержащих до 10ы — 10гз парамагнитных частиц. 9.
Ядерный магнитный резонанс с поглощением коротких радиоволн макроскопическими количествами вещества впервые наблюдали в конце 1945 г. Парселл (р. 1912), Торри и Паунд (р. 1919) и независимо от них Ьлох (р. 1905), Хансен (1909 — 1949) и Пакард. Хотя в принципиальном отношении ядерный магнитный резонанс и не отличается от электронного, для его экспериментального исследования из-за большого различия в длинах волн высокочастотного электромагнитного поля требуется несколько изменить метод исследования. Идея одной из возможных экспериментальных схем понятна из схематического рис.
79. Главная особенность состоит в том, что исследуемый образец А помещается в катушку, последовательно соединенную с катушкой колебательного контура генератора высокой частоты. Электромагнит Л'Я, питаемый постоянным током, созда- 8 ет сильное постоянное магнитное поле. Для создания перпендикулярного рс модулирующсго магнитного поля применяется дополнительная катушка К, питаемая переменным током с частотой 50 Гц. При наступлении резонанРис. 79 са увеличивается поглощение высоко- частотного электромагнитного поля. Это проявляется в уменьшении добротности колебательного контура генератора и даже в срыве генерации.
Высокочастотный сигнал, появляющийся во вне|пней цепи, индуктивно связанной с колебательным контуром генератора, детектируется и усиливается усилителем У. Затем получается его развертка, совершенно так же, как при исследовании ЭПР. 10. В заключение заметим, что, помимо электронного и ядерного парамагнитных резонансов, различают также ферромагнитный резонанс, связанный с изменением ориентации электронных магнитных 3 43) Эффект Шторка 259 моментов внутри доменов или между доменами ферромагнетика, а также антиферромагнитный резонанс, связанный с изменением ориентации спиновых магнитных моментов в антиферромагнетике. Частным случаем последнего резонанса является ферр магнитный резоианс -— резонанс, происходящий в ферримагнетиках, т.е. антиферромагнетиках с неполностью компенсированными противоположно направленными магнитными моментами спинов решетки, а потому обладающими ферромагнитными свойствами.
Ограничимся еще упоминанием, что к магнитному резонансу иногда формально причисляют диамагнитный (циклотронный) резонанс, имеющий, однако, совершенно иную физическую природу. ~ 43. Эффект Штарка 1. Явление Штарка (1874 — 1957) состоит в том, что при наложении электрического поля энергетические уровни атомов, молекул и кристаллов смещаются и расщепляются на подуровни.
Это проявляется в расщеплении и смещении спектральных линий в спектрах испускания и поглощения указанных тел. Об этом явлении уже кратко говорилось в т. 1У, 3 93. Там указывалось, какие экспериментальные трудности возникают при наблюдении явления и как Штарку удалось их преодолеть. Штарк открыл явление, названное его именем, а затем подробно исследовал его на спектральных линиях серии Бальмера водорода.
Впоследствии явление П1тарка было обнаружено и на других атомах. Уже с самого начала было выяснено, что классическая теория не в состоянии объяснить явление Штпрка. Теория явления Штарка, основанная на полуклассичоской теории Бора, была независимо построена К. Шварцшильдом (1874 — 1916) и П.С. Эпштейном (1886 — 1966) в 1916 г. Их основные результаты были подтверждены в последовательно квантовомеханической теории, развитой Шредингером в 1926 г.
В обеих теориях используются вычислительные методы теории возмущений, развитые в небесной механике Лагранжем (1736-1813), Лапласом (1749 — 1827) и др., а затем модернизированные применительно к задачам квантовой механики. Вычисления довольно сложны и не могут быть здесь воспроизведены. Можно ограничиться только некоторыми качественными соображениями и окончательными результатами 1! ри этом мы ограничимся штарк-эффектом только на атомах, а электрическое поле Е будем предполагать однородным. 2. Уже из простых классических соображений легко понять, какую следует ожидать поляризацию компонент, на которью расщепляются спектральные линии при помещении источника света во внешнее электрическое поле К.
В электрическом поле частота колебаний элементарного источника света (электрона) зависит от того, совершаюгся ли колебания вдоль поля Е или перпендикулярно к нему. Во всех случаях в наблюдаемом свето ввиду его поперечности возможны только колебания. перпендикулярные к линии наблюдения. Если линия наблюдения сама перпендикулярна к полю Е,то колебания, удовлетворяющие этому условию, могут происходить как по полю Е, так и перпендикулярно к нему. Они, вообще говоря, происходят с различными частотами, а потому в наблюдаемом спектре все линии окажутся поляризованными линейно: часть линий будет поляризована вдоль поля Е (я-компоненты), а остальная часть перпендикулярно к нему (а-компоненты). Если же линия наблюдения направлена вдоль поля К, то все колебания, сопровождающиеся излучением света, направлены только перпендикулярно 260 Дальнейшее построение квантовой механики и спектргл ) Гл, 'т' к Е.
Поэтому в наблюдаемом спектре могут появи гься только п-компоненты. Все онн будут неполяризованы, поскольку сила, действующая со стороны электрического поля Е на колеблющийся электрон, не зависит от величины и направления скорости движения последнего. В этом существенное отличие электрического поля от магнитного. Сила, действующая на электрон со стороны магнитного поля, пропорциональна его скорости т и меняет свое направление на противоположное с изменением на противоположное направления скорости т. Поэтому-то анан изменяет угловые скорости круговых вращений электрона, на которые можно разложить его колебательное движение.
Это изменение зависит от направления вращения электрона, с чем н связан продольный эффект Зеемана. В случае электрического поля подобного изменения нет, а потому компоненты штарковского расщепления при продольном наблюдении оказываются нсполлризованпььни. При наблюдении же под углом к полю Е эти компоненты окажутся поляризованными частично. 3. Явление Штарка выглядит по-разному в зависимости от того, имеется у атома 1в отсутствие электрического поля Е) дипольный электрический момент р или не имеется. В первом случае при наложении электрического поля Е, если ограничиться линейными по полю членами, атом получает дополнительную энергию ( — рЕ), пропорциональную первой степени электрического поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
