1626435893-691da8e1223766775fc277661dcb4565 (844331), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Несмотря на это, Штерну, Эстерману и Фришу удалось измерить магнитный момент протона, который оказался равным примерно 2,5рв. Это значение сильно отличается от значения 1йя, которое можно было ожидать по аналогии с электроном, имеющим магнитный момент 1Мя. В дальнейшем рассмотрим этот вопрос подробнее (см. и. 5 настоящего параграфа). б. Метод магнитного резонанса Раби Особенно точным методом определения магнитных моментов ядер является метод магнитного резонанса, или радиочастотный метод, предложенный. Раби в 1937 г.**. Идея метода Раби заключается в принудительной переориентации спина 1 (и магнитного момента р,) ядра резонансным электромагнитным высокочастотным (ВЧ) полем и вычислении 1а, по Резонансной частоте полЯ оэвем Схема соответствУющего прибора изображена на рис.
32. Здесь Н,,Нз,Н, †т одинаково направленных постоянных магнитных поля, создаваемых электромагнитами А, гг и С. Поле Н, однородно, а поля Н, и Н, резко неоднородны, при этом поля Н, и Н, совершенно одинаковы, но их градиенты ориентированы йротивоположно: дНз)дл= — дНг/дл. Узкий пучок молекул или атомов при своем движении из нагревателя Н в детектор Д проходит через все трн магнитных поля, которые, взаимодействуя с магнитными моментами атомов и ядер, ориентируют нх в соответствии с возможными значениями для проекций г, и 1, векторов Л и 1, при этом каждой проекции 1, вектора 1 соответствует своя энергия взаимодействия магнитного момента ядра р, с магнитным полем Н,: ргНз = ргНгув(1.
Для изменения проекции спина на Ы,=+1 атому надо сообщить энергию Л11=+РНз71. в Этой трудности нет при распгеплении методом Штерна — Герлаха пучка нейтронов (см. п. 4 этого параграфа). вв Название метода связано с тем, что в нем применяются высокочастотные электромагнитные поля радиодиапазона. 73 Глава а Свойства стабилталх ядер и ядеряих сил Рис. 3л Нв~~ Рис. 33 В методе Раби эта энергия заим- рМ ствуется от электромагнитного ВЧ- поля Н„ наложенного на поле Нг перпендикулярно ему и пучку частиц.
При совпадении частоты и поля Нл с величиной ЛУ/Ь й, и,=ел„,)2к=М112клсв(3111л, (5.17) где и — постоянная Планка, должна наблюдаться переориентация вектора 1. Опрокидывающий эффект резонансного электромагнитного ВЧ-поля можно наглядно пояснить при помощи рис. 33. Из атомной физики известно, что с энергией перехода 73(7=рН71 можно связать представление о ларморовской прецессии спина 1 (и магнитного момента и) в поле Н, с частотой Лармора св,=сл(1(й= рН7Ы.
(5.18) ВЧ-поле Н„, перпендикулярное полю Нз, можно разложить на два циклических поля, вращающихся навстречу друг другу. Эффект от одного из них (вращающегося навстречу ларморовской прецессии) усредняется во времени, а от другого (вращающегося в ту же сторону) при сввч — — а„как бы «накапливается» со временем. Этот эффект накопления виден из рис. 33, где изображены два положения векторов рс и Нв для моментов времени ~ и г+Т~2 (через полпериода). Из рисунка видно, что взаимная ориентация векторов р и Нл (угол 8) не изменяется со временем. Простые вычисления показывают, что при достаточно больших размерах области ВЧ-поля и достаточно малой скорости частиц пучка взаимная ориентация р и Н, может сохраняться в течение 10~ — 103 периодов Т.
Это означает, у 5. Сими и магиитиыа момеит иукиоаов и одра 73 что в течение всего этого времени взаимодействие в и На будет стремиться изменить ориентацию вектора 1 в какую-то определенную сторону (в направлении возрастания или убывания угла 6). В результате такого воздействия часть магнитных диполей на выходе из области поля окажется переориентиров анной. Зная частоту к „ при которой происходит переориентация магнитных диполей, можно вычислить гиромагнитное отношение у из формулы ы,=2хч тыкв,=1хН~ЫииураН(й.
(5.19) Факт резонанса устанавливается при помощи неоднородных полей Н, и Нз, смещающих диполи в разные стороны. Так как поля Н, и Нз совершенно одинаковы, но имеют противоположное направление градиентов, то в отсутствие переориентирующего ВЧ-поля действия обоих полей будут взаимно компенсироваться, так что пучок частиц, пройдя через оба поля, вернется к исходному направлению (см. рис. 32). Если же в результате резонансного воздействия ВЧ-поля произойдет частичная переориентация ядерных магнитных диполей, то смещение диполей в поле Н, не будет компенсировать смещение, испытанное в поле Н„и соответствующие частицы отклонятся от первоначального направления (штриховая линия на рис. 32).
На рис. 34 дан поперечный разрез электромагнита А (изображенного на,рис. 32), с помощью которого создавалось неоднородное поле Н, (или Н,). Электромагнит изготовлен из железной трубы длиной около 50 см, разрезанной по образующей. Линия разреза имеет форму двух коаксиальных цилиндров, для которых можно рассчитать поле электромагнита.
Рабочая ширина щели 1 мм. Труба обмотана восемью витками медной трубки, по которой пропускается ток около 10' А. В результате возникает магнитное поле Н=1 Тл с дН)д!м ъ8 Тл/см. При общей длине проходимого пуп! около 1 м ожюнение пучка составляет примерно 0,05'мм. Поэтому работа проводилась с чрезвычайно узкими пучками (около 0,01 мм) очень высокой интенсивности (10'а— !О" частиц на !ем'). Поле Н2 создается с помощью электромагнита с плоско параллельными отшлифованными и отполированными полюсами. Высокая тщательность изготовления этого электромагнита необходима для создания строго однооодного поля, которое должно выделять в пространстве направление для ориентации диполей, но не смещать их.
Рис. 34 74 Глава 1. Сеоасееа сеаймьимх ядер и ядава сне ® 5Ъс. 35 Осциллирующее поле Н4 создавалось при помощи петли с током, изображенной на рис. 35. При прохождении через петлю ВЧ-тока вокруг проводников возникают коаииалыые магнитные поля, сумма которых создает в месте прохождения частиц осциллирующее поле Н4. Условие резонанса авч е, можно получить, либо изменяя частотУ твч полл Н4, либо менЯЯ лаРмоРовскУю частотУ прецессии а. (в результате изменения значения постоянного поля Нз). При помощи (5.19) легко подсчитать, что прн Н5~1 Тл т~„=урвН!2я8=0,87 107 Гц. Положив 7 1, имеем т м107 и Ъ.
с1чм50 м. Таким образом, поле Н4 можно создать при помощи генераторов радиочастотного диапазона. Методом магнитного резонанса было впервые определено точное значение магнитного момента протона: р =2,792845п ь а также точные значения магнитных моментов атомных ядер. Современное значение магнитного момента протона р =(2,7928444 ~ 0,0000011)рв. а. ЯМР и другие методы радиоспеитросиопии Кроме описанного выше пучкового варианта используются и другие варианты метода магнитного резонанса, которые применяются для исследования образцов из конденсированного вещества. (твердого н жидкого).
Отличие нх друг от друга в основном сводится к способу обнаружения переориентации магнитных моментов в высокочастотном резонансном поле. В.одном нз способов, например, переориентация обнаруживается по испусханию (или поглощению) квантов излучения, которым сопровождается переориентация магнитных днполей, я 5. Слин и магнитная момент нуняанаа и ядра 75 в другом — по наведению переориентнрующиьяися ядерными спинами ЭДС в катушке с помещенным в ней исследуемым образцом.
Оба способа не требуют создания узких пучков и неоднородных магнитных полей. Общее название резонансных методов исследования конденсированного вещества с использованием скрещенных магнитного и высокочастотного полей— ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Методы наблюдения ЯМР в конденсированных веществах разработали в 194бг. Блох и Парселп. Возможность наблюдения ЯМР в конденсированных веществах связана с существованием релаксацнонных процессов установления и разрушения ядерной намагниченности М.
Продольная (по отношению к постоянному полю) составляющая М, изменяется в результате обмена энергией спинов с окружением (спин-решеточное взаимодействие), а поперечные М„и М,— взаимодействия синцов между собой (спин~липовое взаймодейств ие). Времена продольной Т, и поперечной Т, релаксаций различны для разных веществ и зависят от их агрегатного состояния, чистоты, температуры, структуры молекул и др. Поэтому ЯМР широко применяется для исследования ядер, атомов и молекул при решении различных задач из области физик, химии, биологии и техники.
Метод радиоспектроскопии шире метода ЯМР и тем более пучкового метода Раби, в основе которых лежит использование скрещенных постоянного магнитного и высокочастотного электромагнитного полей. В общем виде радиоспектроскопией называется раздел физики, занимаюпшйся исследованием переходов между энергетическими уровнями квантовой системы посредством использования электромагнитного излучения радиодиапазона. К этому разделу, кроме ЯМР, относятся микроволновая СВЧ-радиоспектроскопия, т.
е. радиоспехтроскопия сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн, электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный кваявзупольный резонанс (ЯКР), цнклотронный резонанс (ЦР) и др. Методы радноспектроскошця применяются (избирательно) для исследования свойств веществ, находящихся в любом агрегатном состоянии (твердом, жидком, газообразном). В качестве примера, имеющего непосредственное отношение к ядерной физике, рассмотрим использование микроволновой радиоспектроскопии для определения масс атомных ядер, Идея этого способа заключается в измерении сдвига ротационных уровней молекулы, возникающего при изменении ее массы.
Известно, что структура уровней ротационного спектра молекулы зависит от ее момента инерции, который в свою 7б Глава, 1. Свойства стабильных ядер и ядерных сил очередь зависит от приведенной массы молекулы, т. е. от масс атомов, входящих в ее состав. Если один из атомов молекулы заменить атомом другого изотопа того же элемента, то приведенная масса и момент инерции молекулы несколько изменятся, в результате чего будет наблюдаться небольшой сдвиг ротационных уровней. По этому сдвигу можно вычислить отношение масс использованных в опыте изотопов.
Энергии перехода между отдельными ротационными уровнями по порядку значения равны: Е=йсв-1О ' —:10 ' эВ, что соответствует микроволновой области радиодиапазона (Х 10 е ы10 см). Энергетический сдвиг ротацнонных уровней равен: ЛЕ = 6 Лбе = л (в — св'), где в и е' — частоты, соответствующие определенному переходу между уровнями для разных изотопов. Значения ш и со''можно получить измерением поглощения бегущей электромагнитной волны сантиметрового диапазона в волноводе, наполненном газообразным исследуемым веществом. При совпадении частоты волны с частотой перехода между уровнями наблюдается особенно сильное (резонансное) поглощение волны.
Измерив в двух опытах в „и сво'„, можно найти Лс» и вычислить отношение масс. Погрешность измерения отношения масс радиочастотным методом составляет. бМ1 И-10-ь-: 10-а 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОГО МОМЕНТА НЕЙТРОНА а. Опыт Альаарвца и Блоха В принципе описанный выше радиочастотный метод Раби с использованием узких пучков и неоднородных магнитных полей прИгоден и для определения магнитного момента нейтрона. Однако в 30-е годы (когда было впервые оценено его значение) в распоряжении физиков еще пе было интенсивных пучков реакторных нейтронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
