2_1 (829234), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Так было впервыеоднозначно подтверждено существование эффекта, который впоследствии будет названэффектом Зеемана.Применение Эффекта Зеемана.В настоящее время эффект Зеемана применяется в спектроскопии для исследованиятонкой структуры вещества,в устройствах квантовой электроники и для измерениямагнитных полей в лабораторных условиях и магнитных полей космических объектов.1. Космические исследования.Эффект Зеемана нашел очень полезное применение в астрономии, поскольку порасщеплению линий в спектре излучения небесных тел можно судить о напряженности их137магнитных полей. Главный метод измерения магнитных полей, который успешноприменяется в астрономии, основан на использовании эффекта Зеемана.
В результатемагнитного расщепления атомных уровней и их неравновесного заселения в звездныхатмосферах излучение в спектральных линиях оказывается поляризованным, причемполяризация возникает в линиях излучения и поглощения. Уровень поляризации напрямуюсвязан с магнитным полем, что позволяет непосредственно определять величину этого поля.Например, именно по эффекту Зеемана астрофизикам удалось установить, что пятна наСолнце являются следствием возмущения мощных магнитных полей вблизи его поверхности— солнечных магнитных бурь.В космических условиях эффект Зеемана часто настолько мал, что линии не разделяются,но тогда можно заметить различную поляризацию правой и левой стороны профиля линии.Т.о. был обнаружен эффект Зеемана в солнечных и звёздных магнитных полях, а также улинии 21 см межзвёздного водорода.Оборудование.В качестве примера оборудования, использующегося для таких измерений, можнопривести солнечный магнитограф.
Это прибор дляизмерениямагнитногоэлементыполянамагнитографа:светомодулятор,Солнце.электрооптическийспектрограф,(фотоумножители),записывающееОсновныесветоприёмникиустройство.Методизмерения основан на Зеемана эффекте, в результатекоторого спектральная линия расщепляется на две sкомпоненты,поляризованныепокругувпротивоположных направлениях.
Изображение СолнцаРис. 9 Смещение линии нащели спектрографа.фокусируется на щель спектрографа, за которой установлен электрооптический кристалл вкомбинации с поляризатором. Под действием переменного электрического напряженияустройство пропускает s-компоненты, поочерёдно сдвигая линию на величину 2 дельталямбда (см. рис. 9). В фокальной плоскости спектрографа свет от крыла линии проходитчерез щель и падает на фотоумножитель, соединённый с усилителем, переменный сигналкоторого регистрируется.
Заштрихованная на рисунке площадь пропорциональна изменениюинтенсивности света, проходящего через щель, при очередном пропускании поляризованныхкомпонент линий s1 и s2. При небольших расщеплениях сигнал солнечного магнитографапропорционален напряжённости продольного поля. [1-3].2. Обнаружение и измерение малых концентраций веществ.138Во многих областях человеческой деятельности (таких как: контроль окружающей среды(вода, воздух, почва), санитарно-гигиенические исследования, контроль продуктов питания,биотехнология, медицина, научные исследования, геология, нефтехимия и др.) естьнеобходимость в количественных измерениях малых концентраций каких-либо примесей восновной массе образца. Одним из способов обнаружения примесей и их количественногоанализа является атомно-абсорбционная спектроскопия [4-8].Оборудование.Атомно-абсорбционные спектрометры (ААС) - приборы, предназначенные дляпроведения количественного элементного анализа (до 70 элементов) по атомным спектрампоглощения, в первую очередь для определения содержания металлов в растворах их солей:в природных и сточных водах, в растворах-минерализатах консистентных продуктов,технологических и прочих растворах.Принцип действия атомно-абсорбционного спектрометра основан на измерении величиныпоглощения луча света, проходящего через атомный пар исследуемой пробы.
Дляпревращения исследуемого вещества в атомный пар используется атомизатор (графитоваяпечь). В качестве источника света используется различные узкополосные источники света.После прохождения через атомные пары исследуемой пробы луч света поступает намонохроматор, а затем на приёмник, который и регистрирует интенсивность излучения.ААС с коррекций фона основе эффекта Зеемана.Если в атомизаторе (графитовой печи) создать магнитное поле, то спектральные линиипоглощения атомов определяемого элемента расщепляются на три компоненты, при этом πкомпоненту можно удалить из спектра с помощью поляризатора.Для коррекции фона с помощью эффекта Зееманапоследовательно включают иотключают сильное магнитное поле. Общую оптическую плотность (селективноепоглощение элемента + неселективное фоновое поглощение) измеряют при отключенноммагнитном поле, а фоновое поглощение – при включенном магнитном поле. Разность междуэтими двумя значениями дает скорректированное селективное поглощение атомованализируемого элемента.Даже при такой схеме измерений на результаты измерения ААС существенно влияют двафактора:нестабильностьинтенсивностирезонансногоизлученияиизлучениеотпосторонних источников (в том числе свечение электротермического атомизатора).
ДлярешенияэтихполяризационнойпроблемвААСспектрометрииприменяют(ЗМПС).методЗеемановскойЗеемановскаямодуляционнойполяризационнаяатомно-абсорбционная спектрометрия (ЗП-ААС) отличается от традиционных методов ААС тем, что139измерение резонансного атомного поглощении производиться по углу поворота плоскостиполяризации пучка излучения после прохождения поглощающей среды.ЗП-АА-спектрометры.Принцип работы ЗП-АА-спектрометра состоит в том, что сквозь поглощающую среду,содержащуюрезонансно-поглощающиеатомы,пропускаютрезонансноеизлучение,предварительно поляризованное под углом 450 к направлению магнитного поля. Свет такойполяризации можно разложить на равные по амплитуде составляющие: параллельную иперпендикулярную магнитному полю.
Благодаря различию в пропускании излученияразличной поляризации, возникающему вследствие эффекта Зеемана, после прохождениясреды эти составляющие будут ослабляться в разной степени: компонента с поляризацией,перпендикулярной магнитному полю ослабнет за счет нерезонансного (неселективного)поглощения, в то время как компонента с поляризацией, параллельной магнитному полю,ослабнет как за счет неселективного поглощения, так и за счет резонансного (селективного)поглощения.
В результате, после прохождения среды, угол наклона плоскости поляризациипучка будет отличаться от исходного, и это отличие будет тем больше, чем большеселективное поглощение. Таким образом, измеряя поворот плоскости поляризации пучкапосле прохождения поглощающей среды, можно измерить количество селективнопоглощающих атомов в среде [9].Т.о. современные атомно-абсорбционные спектрометры при количественном определенииэлементов в жидких пробах различного происхождения и состава достигли чувствительностина уровне долей нг/л.3.
Измерение магнитных полей в лабораторных условиях.Специальное оборудование.Тесламетрысоптическимвозбуждением(оптическойнакачкой)используютзеемановское или сверхтонкое расщепление уровней энергии в магнитном поле.Определенный фиксированный уровень в атоме имеет определенное «вырождение», т. е.несколько состояний могут иметь одну и ту же энергию. При наложении внешнегомагнитного поля вырождение снимается, т. е.
полный момент электрона в атоме, спиновый,орбитальный, прецессируя вокруг направления внешнего поля, получают дополнительнуюэнергию. Значение добавочной энергии зависит от величины магнитного поля. Приналожении магнитного поля на ансамбль излучающих атомов большинство линийрасщепляется на несколько линий, расстояние между которыми пропорционально величинемагнитному полю.Измерение магнитного поля, сводится к измерению разности частот между компонентамизеемановской структуры [10].140В плазме.С развитием спектроскопических комплексов стало возможным измерять формуспектральных линий с достаточной точностью для разделения различных эффектов,влияющих на профиль линии (температурного уширения, зеемановского расщепления,штарковского уширения, изотопного сдвига).Одной из задач, которая может быть решена при помощи измерения этих эффектов,является определение топологии магнитного поля в нутрии плазмы при достаточно большойвеличине β.
Для определения величины магнитного поля удобно использовать яркиеспектральные переходы атомов и ионов примесей, содержащихся в плазме.В качестве примера, на рисунке 10 приведены измерения, проведенные на плазменнойустановке ГОЛ-34[11]. Для определения величины магнитного поля удобно использоватьяркие спектральные переходы атомов и ионов примесей. В данном случае это дублет натрия588,99 нм, 589,59 нм.На рисунке приведены кадры, полученные с помощью электронно-оптическогопреобразователя, с детектором на основе ПЗС матрицы, на каждом из которых одновременнорегистрируются спектры σ- и π- поляризованного излучения в интервале по длинам волоколо 2 нм. В центре на кадрах непрерывными линиями показаны контуры наблюдаемыхспектральныхлиний,которыебылирассчитаныдляусловий,соответствующихэксперименту.Для сравнения на рис. 10 показаны контуры линий Нα в сильном и слабом поле.4ГОЛ-3 (Гофрированная открытая ловушка) – это плазменная установка, расположенная вИнституте ядерной физики им.
Г.И. Будкера СО РАН (см. цветную вставку).. Основныенаправления исследований: взаимодействие электронных пучков с плазмой, нагрев иудержание субтермоядерной плазмы, воздействие высоко энергетичных пучковоплазменных потоков на материалы.141Рис.10 Зеемановское расщепление спектральных линий в магнитном поле, а), б) – дублет NaI; в), г) – линия Нα водорода. Измерения проводились в магнитном поле 4.3 Тл для слечаева),в) и 1.3 Тл для случаев б), г). Верхняя часть кадров - σ-поляризация, нижняя - πполяризация; линии – расчет контуров для соответствующего магнитного поля иполяризации.4. Методы исследований основанные на эффекте Зеемана.Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР, электронный спиновый резонанс).Метод ЭПР основан на эффекте Зеемана, заключающемся в том, что при введениипарамагнитной частицы, характеризующейся квантовым числом S, в постоянное магнитноеполе, ее основной энергетический уровень расщепится на 2S + 1 подуровней, отделенныхдруг от друга интервалами энергии.
При облучении таких частиц, происходит резонансноепоглощение падающего излучения, что можно использовать для изучения структурыпарамагнитных частиц.ЭПР является одним из методов радиоспектроскопии. ЭПР используется для изучениясистем с ненулевым электронным спиновым магнитным моментом (т.е. обладающих однимили несколькими неспаренными электронами): атомов, свободных радикалов в газовой,142жидкой и твердой фазах, точечных дефектов в твердых телах, систем в триплетномсостоянии, ионов переходных металлов.[12]Так же метод ЭПР нашел широкое применение при исследовании строения комплексовпереходныхметаллов,археологииипалеонтологии(твердотельнаядозиметрияионизирующих излучений, определение возраста минералов) и д.р.Подробнее смотрите описание лабораторной работы «Электронный парамагнитныйрезонанс»Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).ЯМР имеет ту же природу, что и эффект Зеемана расщепления электронных уровней вмагнитном поле.ЯМР - резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядрас ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентациеймагнитных моментов ядер.Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различныесигналы ЯМР.
Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяетопределить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строениемизучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическоестроение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярныепревращения.ЯМР-интроскопия (магнитно-резонансная томография)Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии, нои в медицине: организм человека — это совокупность все тех, же органических инеорганических молекул.Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сутидела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерногомагнитного резонанса. В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, повозможности, наилучшее разрешение спектральных линий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
