1626435914-6d29faf22cc9ba3862ba4ac645c31438 (844347), страница 109
Текст из файла (страница 109)
Значение магнитного момента нейтрона определялось в ряде работ [42[ по методу магнитного резонанса в нейтронном пучке, как уже отмечалось выше (с. 426). Специальными опытами было показано, что нейтрон не может обладать дипсльным моментом, превышаюшим егя гле гя = 5 ' 10 ~~ см. Дейтрон имеет механический момент, равный сумме механических моментов протона и нейтрона, т.е. 1л =!. Его магнитный момент равен уял = (0,85740ш 0,00004)ияя = (0,43301 ш 0,00004).
10 ~~ эрг/Гс, (16.40) что соответствует значению множителя дг, равному — (2 = 1), т. е. !ял 7гял дг = 0,85740 ш 0,00004. Значение ия определялось в целом ряде работ; наиболее точные данные получены методом магнитного резонанса в молекулярных пучках [270[. Сравнение значения (16.40) ео значениями (16.37) и (16.39) показывает, что магнитный момент дейтрона приближенно равен сумме магнитных моментов протона и нейтрона (0,87961 и ). Разница значений ия и ир+ Гя„ составляет 0,0222 Гя„„т.е.
2,6%. Эта разница представляет значительный интерес с точки зрения теории дейтрона, как простейшего ядра, составленного только из двух нуклонов. Наряду с магнитным моментом дейтрон, как ядро с 2 > '/н обладает квадрупольным моментом Я (см.
с. 423). Значение этого кгшдрупольного момента равно 9=2,73 10 см =0,00273 10 ем~. (! 6.41) 8 16.3. Сверхтонкал структура уровней атома водорода 435 Значение (16.4!) вычислено из величины постоянной кваарупальиага взаимодействия, определенной па методу магнитного резонанса в молекулярных пучках, состоящих из молекул НР и Рз (иаряду с молекулами Нз) [243, 274]. (16.43) 22азЯз р (16.44) 1Л тр пз ~ !+ -),(, + 1) 2) Рассмотрим теперь сверхтонкую структуру уровней энергии атома водорода. Наличие у протона спина 7 = '/з приводит к расщеплению каждого уровня атома обычного водорода Г с заданным значением 7 на два уровня со значениями е =,7 — '/з и Е =,7+ '/ь В частности, основной уровень атома водорода !в Ъ~ г расщепляется на уров/з ни с е = 0 и е = 1 (рис. 16.4,а).
Уровни атома 3 тяжелого водорода, дейтерия, расщепляются на три УР "Р" ГК Ь У=У-~~, г. Г ~) 1 — — ~~~~МГ уровня при,7 = '/г (е = з/и '/г). Расщепление на два 2 уровня имеет место и дпя основного уровня 1з9|/ б атома дейтерия (рис. 16А, 6). Рис. 16.4. Сверхганкае Величины расщепления для основных уровней расщепление: атомов Н и Р были определены с исключительно а основного Уровня атома Гя б — основного уровня атома 0 высокой точностью при исследовании магнитного резонанса в атомных пучках [272]. Измеряя частоты переходов Ье = 1, Ьт = л! между зеемановскими подуровнями в зависимости от напряженности поля, легко определить и разность б уровней е =,7 + '/з и е = .7 — '/з в отсутствие поля.
Для атома водорода 1в Ъ~/ ба~ — — 1420 40573 к 0 00005 МГц т 0 04771 см '. (!642) Для атома дейтерия 1 з8~/ б~/ з/ = 32738430~000003 МГцт 001092см \ Переходу е = 1 — е = 0 между уровнями сверхтонкой структуры основного уровня атома водорода соответствует, согласно (16.42), частота 1420 МГц, что дает длину волны Л = 21,1 см.
Соответствующая линия испускания наблюдается на опыте — это линия космического радиоизлучения. В данном случае мы имеем спонтанное непускание, которое оказывается возможным несмотря на очень малую вероятность А перехода (составляющую 2,85 10 '~ с [!53], что соответствует времени жизни т - 3,5 10'~ с), благодаря чрезвычайно малой плотности вещества; испускают эту линию атомы водорода, самого распространенного элемента во вселенной, который заполняет, с очень малой плотностью, межзвездное пространство. Линия водорода Л = 21,1 см в спектре космического радиоизлучения является пока единственной линией в радиочастотной области спектра, которую удалось наблюдать в спонтанном испускании.
Величина (16.42), согласно (16.17), равна постоянной магнитного взаимодействия А. Для водородоподобного атома можно вычислить значение А. Оно оказывается, согласно квантовомеханическому расчету, равным [32] 436 Глава 16. Моменты ядер и их спектроскопическое исследование Формула (16.44) получается при расчете энергии взаимодействия ядерного магнитного момента рг = дгр Х = д~грь1 в магнитном поле, создаваемом в водоролополобпом атоме электроном в состоянии, характеризуемом квантовыми числами и, 1 и г (ср. (16.12) и ии:ке).
Постоянная А пропорциональна рг и, следовательно, дг. Для атома водорода в основном состоянии 1в ~Я~/ (и = 1, 1 = О, з = / = /г, Р = О, 1), согласно (16.17) и (16.44), 8 г™~ Лаз = А = — 2!а — дг. 3 гп„ Для наиболее точного определения а с помошью значения (16.42) сверхтоикого расщеп- ления и значения множителя д лля протона следует в формулу (16.45) ввести ряа поправок, в частности, поправку, учитываюшую аномалию магнитного момента электрона (см. с. 400) гтхз и значение приведенной массы ш атома (что лает множитель ~ — ) в формулах (16А4) т, и (16.45)). В результате лля а получается значение ! 137,0387 ж 0,0010' очень хорошо согласуюшесся со значением (16.46) 1 а= 137,0390 ж 0,0012' (16.47) получаюшимся из измерений тонкой структуры уровня и = 2 атома водорода (см.
с. 195). 3 Величина (16.43), согласно (16.17), равна -А. Отметим, что при этом можно 2 по-прежнему применять, несмотря на 1 > '/г, формулу (16.17), зависящую только от постоянной А, но не от постоянной В, учитывающей квадрупольное взаимодействие. В самом деле, при У = '/г квадрупольный член в (16.24) не зависит от Р и при образовании разности бдя+~ = ЬЛе+~ — /5Ее этот член сокращается п1 Численное значение А для состояния )з гУ|/ атома дейтерия равно, согласно (16.43), 2 А = — 6 ~/ з/ = 218,25620 ~ 0,00002 МГц.
(16.48) Отношение постоянных А для Н и Р должно равняться, согласно (16.44), Ан 1 240,40 Ун отношению множителей уг. Действительно, — = = 6,508 близко к — = Ао 218,26 Уо = 6,515. 0,8574 Ан Ун Некоторое расхождение значений — и — связано с различием приведенАп Уо ных масс атомов водорода и дейтерия и с другими эффектами, обусловленными свойствами дейтрона.
При учете различия приведенных масс введением множите/ гп 'т 3 ля ~ — ) (см. выше, с.436) относительное расхождение составляет 1,7 10 4 [42]. Ш, ' ~1 кзк при Р = г+ '/г, так и при Р = г — '/г величина с(с+ 1) в (16 24) равна г(и 1), см. ниже, с. 442. т. е. пРопоРционально квадРатУ постоЯнной тонкой стРУктУРы а и множителю Уг. Зная значение этого множителя, можно по найденному из опыта значению А определить постоянную а. Данный способ позволяет получить значение а с очень большой точностью. В 16.3. Сверхтонкая структура уровней атома водорода 437 Уменьшая значение расщепления для атома водорода (16.42) в 8, 24 и 60 раз, мы получим расщепления лля двухквантовых состояний: 1 п=2,1=0, 2=3= —, у=О,! 2' 1 п=2,1=1, 2=2'=-, Р=О,! < 3 п=2,1=1,2=2= —,Р=!,2 2э 'Я,), 2р 'Ро 2р Рз! боз = 177,551 МГц, (16.49) боб = 59 184 МГц б~ г — — 23,673 МГц.
Непосредственное измерение сверхтонкой структуры метастабильного уровня 2о Ъп й атома водорода, выполненное по методу магнитного резонанса в атомном пучке [273], дано значение 2э ~817 бо ~ = 177,5566 А 0 0003 МГц 0 0059! см (16.50) в хорошем согласии с соответствующим значением (16.49). Мы рассмотрели сверхтонкую структуру уровней атома водорола. При переходах между двумя уровнями, имеющими сверхтонкую структуру, должна получаться сверх- тонкая структура соответствующих спектральных линий, которую легко рассчитать, исходя из величины расщеплений (см. (16.17) и (16.44)) и правила отбора (16.25). Однако эту структуру не удается разрешить ввиду малости относительных расщеплений для линий, лежащих в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
В частности, дэя линий серии Лаймана (см. рис. 1.2, с. 19) с и м 100 000 см ' и расщеплением нижнего уровня 1э'Яп, равным, согласно (16.42), 0,048 см ', относительная г'г' величина расщепления составляет около 5 10 ~. Аналогично для линий серии Бальмера с гг 20000 см ' и расщеплением нижнего уровня 2э'Ян, равным, согласно (16.50), 77 0,0059 см ', соответствующая величина равна примерно 3. 10 7. Эти значения лежат на пределе разрешения оптических приборов с высокой разрешающей силой, в частности обычно применяемого для исследования сверхтонкой структуры эталона Фабри и Перо. К тому же Лля атома водорода относительная допплеровская ширина даже при очень низких температу- -6 СГР о Ро рах порядка 1О (см.
(5.149)); при Т = 4 К и р = 1 — = 1,42 1Π—, и лишь при работе с с с атомными пучками можно получить достаточно тонкие спектрааьные линии. На примере атома волороаа хорошо видны достоинства радиоспектрсскопических методов (в частности, метода магнитного резонанса в атомных пучках), позволяющих измерять очень малые расстояния между уровнями энергии и притом с очень большой точностью. Следует, однако, отметить, что этн метолы применимы, в первую очередь, для исследования нормальных состояний атомов.
Лишь с трудом нх удается применять для изучения мета- стабильных возбу.кденных состояний, а лля исследований короткожнвуших возбужденных состоянии они практически неприменимы. Такие исследования, однако, возможны при комбинации оптического н радиоспектроскопнческого методов (см, ниже о методе двойного резонанса, с. 448). 1 при этом учтено, что лоя уровня гр Рэ,, согласно (! 6.17), б, г = 2А. гг' Согласно формуле (! 6.44), лля заданного водородоподобного атома величина А и, следовательно, расстояние между уровнями сверхтонкой структуры убывают с увеличением квантовых чисел и, 1 и 2. В частности, для уровней 2б 'Я!7, 2р Рв г и 2р Рз атома водорода эти расстояния меньше, чем для уровня 1в гй'!г, в 8, 24 !2 /2' и 60 раз соответственно '". 438 Глава 16. Моменты ядер и их спектроскопическое исследование В 16.4.
Моменты ядер и сверхтонкая структура уровней и спектральных линий сложных атомов В настоящее время накоплен большой материал по моментам ядер. Почти для всех устойчивых ядер, имеющих отличные от нуля механические моменты, определены значения этих моментов и, с большей или меньшей точностью, значения соответствующих магнитных моментов. Для многих устойчивых ядер со спином 1 > '/э найдены значения квадрупольных моментов. Имеются некоторые данные, хотя и гораздо менее полные, о моментах неустойчивых ядер.
В табл. 16.1 приведены основные данные о моментах устойчивых ядер, а также некоторых неустойчивых ядер [30, 42) '". Данные в левой части таблицы относятся к нечетно-четным и нечетно-нечетным ядрам (последние вьщелены курсивом), а в правой части — к четно-нечетным ядрам. Как показывает таблица, большое число ядер имеет спины 1 = '/з и 1 = з/ж однако существует достаточное количество ядер, особенно тяжелых, со значениями1 > з/ъ Например,для В!'"~ 1= э/зи!, Магнитные моменты ядер составляют от нескольких десятых р„, до 5-6р„. Они являются как положительными, так и отрицательными; при этом для нечетно-четных ядер значения магнитных моментов, как правило, положительны, а ддя большинства четно-нечетных ядер эти значения отрицательны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
