irodov_2 (523134), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Но вскоре объяснение было найдено: эти атомы обладают спиновым моментом (8 = 1/2), и число 28 + 1 компонент т, в пОлнОм сООтветствии с ОпытОм равно двум. Спиновый магнитный момент. Зная степень неоднородности магнитного поля, т. е. дВ,/дг, Штерн и Герлах по величине расщепления пучка на фотопластинке рассчитали значение пр08кции спинового маГнитноГО момента на направление маГнитнОГО поляу Цв ° Выяснилось, что Цв Равен ОДнОму маГнетонУ БОРй.
ЭтОт р8зультат сначала также Оказйлся неожиданным, пОскольку Приводит к гиромйгнитному отношению едеое превышйющему (7.4), связывающему орбитальные моменты. В связи с этим говорят, что спин обладает удвоеннь~м магнетизмом. Итак, спиновый магнитный момент и его проекция на произвольную Ось Е Определяются как (7.6) (7.7) При 8 = 1/2 т8 — — +1/2 и — 1/2. Принято Говорить, что спинОвый мйгнитный момент злектрона равен одному магнетону Бора. Такая терминология обусловлена тем, что при измерении магнитного момента мы обыч- НО ИЗМ8РЯем ЕГО ПРО8КЦИЮ, Й ОНЙ КЙК РЙЗ И РЙВНЙ ОДному ~в.
4) в состоянии ~Р1 К = 5/2, т.е. фактор Ланде в некотоРых состояниях может быть и больше двух (вопреки утверждению некоторых авторов). Случаи 2) и 3), когда ~ = О и д < О, представляют собой чисто квантовые эффекты, не имеющие аналогов В Классической фи- ЗИЕ,8. 5 7.2. ЭФфекты Зеемана и Патена — Бака Эффект Зеемана. При помещении источника в магнитное поле его спектральные линии испытывают расщепление.
Это и есть эффект Зеемана (1896). Расщепление линий связано с расщеплением самих энергетических уровней, поскольку атом, обладающий магнитным моментом, приобретает в магнитном поле дополнительную энергию ГДе Дв — пРоекЦиЯ полнОГО мйГнитнОГО момента атома нй на- правление поля В. Имея в виду формулу (7.9), запишем выра- жение для энерГии кйждОГО подуровня: (7.12) Е = Ео+ АЕ = Ео+ Рвдвт,,, тд = У, Х вЂ” 1, ...,— Х, Где Ео — энерГия уроВня В Отсутствие маГнитноГО пОля.
Отсюда следует, что уровни с квантовым числом У расщепляются В магнитном поле нй 27 + 1 равноотстоящих друг от друга подуровней, причем величина Расщепления зависит от множителя Ланде д, т. е. интервалы ЬЕ между соседними подуровнями пропорциональны ~: БЕ ы ~.
Таким образом, магнитное поле В результате расщепления уровней снимает ВырождеНИВ ПО Ж~. Кроме этого, необходимо учесть, что возможны только такие переходы между пОдуровнями, принадлежащими разным уровням, при которых выполняются следующие правила отбора для КВИНТОЗОХ'О 'ЧИСЛа Ж~. Формулы (7.12) и (7.13) составляют основу для понимания эффекта Зееманй. Отметим попутно, что компоненты, сответствующие Лт~ — — О, называют я-компонентами, а Лшр — — + 1 — а-компонентами. При наблюдении перпекдикрлярко магнитному полю присутствуют и я- и а-компоненты.
При наблюдении же вдоль магнитного ПОЛЯ 3Т-Н',ОМПОНВНТЬХ ИС'ЧВЗЙЮТ ОСТАЮТСЯ ТОЛЬКО О" КОМПОНВНТЬХ. Частоты и зеемановских компонент спектральноЙ линии с частотои О0 Определяются фОрмулой Согласно (7.12), Ли — эеемаковское смещение ~относительно несмещенной линии): ~7. 14) Простой эффект Зеемана.
Так называют эффект, в котором спектральная линия расщепляется на ~~~и компоненты (при наблюдении перпендикулярно магнитному полю). Простой эфФект ~~с~~ скек~йрйлькь~м л~кц,я.и, ке имВ®и~и.и й~оккоц с~йф~к~й~- Рь~. Эти линии возникают при переходах Между синглетными уровнями (Я = О,,У = Ь, т,р — — т~, д = 1). Поэтому формула (7.14) принимает вид где лт~ — — О, +1, т. е. возникают, действительно, три компонен- ты, зеемановское смещение котОрых Ло~ = 50~э, О, -бац.
~7.16) На рис. 7.2 показано расщепление уровней для перехода 'Р— '8. В отсутствие поля (слева) наблюдается одна линия частоты ~Оэ. При включении поля возникают три эеемановские компоненты, в соответствии с (7.16). Более сложный случай показан на рис. 7. 3 для перехода 1Ю-э 1Р. Однако и здесь, если внимательно следить за переходами с помощью правил отбора (7.13), возникают тоже только Атомное ядро $8.1. Состав и характеристика атомного ядра Состав ядра. Экспериментально установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы называют ндклонами.
Протон (р) обладает положительным зарядом е и массой 1836,15 и, т = 1,00759 а.е. м. 938,28 МэВ, где т, — масса электрона, а.е.м. — атомная единица массы'. Здесь же приведено значение массы прОтона и в энерГетических единицах (как принято в ядерной физике). Протон имеет спин з = 1/2 и собственный магнитный момент где р„— ядерный магнетон (единица, в которой измеряют маг- нитные моменты нуклонов): = 5,05 10 24 эрг/Гс. Ядерный магнетон в 1836 раз меньше магнетона Бора, т. е. собственный магнитный момент протона в 660 раз меньше магнит- ЕОГО момента электрона. Нейтрон (и). Его электрический заряд равен нулю, а масса близка к массе протона: 1838,68 т, т„= 1,00898 а.е.м.
939,55 МэВ, что на 0,14% или 2,5 т, больше массы протона. ~ Атомная единица массы равна 1/12 массы нейтрального атома "С, т. е. 1 а.е.м. = 1,66. 1О г нли 931,5О Мэв. Глана 8 Спин нейтрона з = 1/2 и, несмотря на отсутствие электричезаряда, нейтрон имеет магнитныЙ Знак минус означает, что «направления» спина и магнитного момента у нейтрона Взаимно противоположны. В свободном состоянии нейтрон нестабилен и самопроизво- льнО распадается, превращаясь В протон и испуская электрон и еще одну частицу, нейтрино" (и): (8.1) Период полураспада (Время, зй которое распадается полОВина первоначального количества нейтронов) равно примерно 12 мин.
Характеристики атомного ядра. Основными величинами, характеризующими атомное ядро, являются зоРядоеое ~ и мпссоеое А числа. Число Е равно количеству протонов В ядре и Определяет его электрический заряд ЕВ. Его также называют и~иом~ь~м ~омеРО~~. Массовое число ~ определяет чис~о нуклонов В ядре. Число же нейтронов в ядре К = А — Е. Символически эти характеристики ядра обозначают так: где под Х имеется В виду химическиЙ символ элемента, которому принадлежит данное ядро, например, 1Н, 2Не, 92Б и т.
д. 2 4 238 Поскольку Я определяется местом элемента в периодической системе, число Е в символическом обозначении (8.2) часто не Ун'83ЫВВЮТ. В соответствии с общепринятой терминологией конкретные атомы с данным числом протонов и нейтронов В ядре принято называть нуклидами. Нуклиды с одинаковым числом протонов «т. е. принадлежащие одному химическому элементу) называ- ЮТ ИЗО 7ЙОЛ О.,ЖИ. Атомы изотопов обладают практически очень близкими физико-химическими свойствами.
Это сВязйно с тем, что нй строение электронной оболочки атома ядро влияет в основном толь- + В дальнейшем Вопрос об этой частице будет уточнен. ко своим электрическим полем. У изотопов же эти поля одинакОВы, зй исключением некоторых случй8В.
Сильнее ВсеГО это различие у трех нуклидов: 1Н, 1Н, и 1Н, ядра которых также 1 2 3 существенно отличаются друг от друга. П~~~ому эти трем нуклидам присвоены разные названия — соответственно обычный водород, дейтерий и тритий, а ядра дейтерия и трития— дейтран (И) и тритон ~~). У рйзнЫх атомов число изотопов различно, среди них имеются стабильные и радиоактивные. Рис Зе 1 Го — — (1,2 + 1,3) А1~з фм, где 1 фм = 10 'з см.
Из этой формулы вытекает важный вывод: масса ядра, определяемая массовым числом А, пропорциональна его объему Г, поскольку Г сю Го ьэ А. Следовательно, плот- 3 ЕОсть Вещества ВО Всех ядрах примерно Одинакова и, как показывает расчет, равна р = 2 1014 г/смз — величина, весьма впеч и,тляи)щйя~ Спин ядра 1. Он слагается из спинов нуклонов и их орбитальных моментов. Напомним„что при ОпреД8Л8нии спина называют ОднО числО, которым указывается максимальная прОек- ЦИЯ СПИНЙ НЙ ПРОИЗВОЛЬНУЮ ОСЬ Я. Размеры ядер.
У атомного ядра (как и у всякой квантовой системы) нет четко определенной границы. В экспериментах по рассеянию электронов и нуклонов на ядрах установлено, что В каждом ядре имеется внутренняя область„в которои плОтнОсть Р ядерноГО и ВещестВЙ практически постоянна, и пов8рхнОстный слОЙ, Где этй плОтность падает до нуля. Типичное распрВдел8ниэ КОБЦОнтрз.Ции нуклОБОВ В зависимости От расстояния до ц8нтра ядра, т.
е. п(Г) показано на рис. 8.1, О Где Гр — радиус ядра — расстОяние От центра ядра, на котором концентра- ЦИЯ НУКЛОНОВ ПЙДЙЕТ В ДВЙ Раза. В первом приближении ядро можно считать сферическим радиуса Спин нуклона равен 1/2, поэтому спин Х ядра может быть ЕЙБ Ц8лым, так н НОлуЦВлым — В зйВисимОсти От 'числа, нуклОНОВ~ 'ЧЕТЫОРО Или БЕчЕтБОРО. В основных состояниях всех стабильных ядер Х ~ 9/2.
Это указывает на то, что моменты импульса большинства нуклонов В ядре Взаимно компенсируют друГ друга, располаГаясь 4антипараллельно». У Всех ядер с четными числами прОтОнОВ и нейтронов спин основного состояния Х = О. Со спином ядра связан магнитный момент. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к дополнительному расщеплению энерГетических урОВней, В результате чеГО линии тОнкОИ структуры испытывают В сВОю Очередь расщепление — наблюдается так называемая сверхтоикая структура спектральных линий. Соответствующее расщепление весьма мало (порядка нескольких тысячных нм), и его можно наблюдать лишь с помощью спектральных приборов очень высокой разрешающей способности (например, интерферометрами Фабри-Перо). 9 8.2. Масса и энергия связи ядра Масса ядра не является аддитивноЙ величиноЙ: она не равна сумме масс образующих ядро нуклонов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
