Atomnaya_fizika_Lektsii_Milantyev_chast2 (846373), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Магнитный момент частицы , во внешнем постоянном магнитном поле B0 = (0,0, В0 ) на нее действует вращающиймомент K =  B0 . Магнитный  и механический j моменты частицы: =  j,(3.66) = gM B /  = eg / 2me c – гиромагнитное отношение. Уравнение движения:dj   (3.67а)= K = j .dtМеханический и магнитный моменты совершают прецессию вокруг B0 . Угловая скорость(частота) прецессии: = −B0 .(3.68)В магнитном поле - вдоль оси z, частица приобретает дополнительную энергию:  E = −  z B0 = −jz B0 = −m j B0 = − gm j M B B0 .Частота перехода между соседними подуровнями энергии совпадает с частотойпрецессии:0 = (E1 − E2 ) /  = B0 =  .(3.68а)Изменяющееся с частотой  магнитное поле B1 , перпендикулярноестационарному полю B0 .

Дополнительный переменный вращающиймомент  B1 . Когда частота прецессии и частота изменения поля B1сильно отличаются друг от друга, то при B1  B0 поле B1 приводит к периодическому изменению угла наклона магнитного момента к оси z.Если частота изменения поля B1 совпадает с частотой прецессии(3.68), то магнитный момент оказывается как бы в статическихусловиях и дополнительный вращающий момент стремится«опрокинуть» магнитный момент.

Магнитный момент - квантовыйвектор: его проекция на направление статического магнитного поля может только скачкомизмениться на противоположное значение. Это - явление магнитного резонанса.Если магнитный и механический моменты атома обусловлены его электронами, томагнитный резонанс - электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Когда моментыопределяются ядром атома - ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Первым наблюдалсяв опытах с молекулярными пучками (Раби, 1938).

Ферромагнитный иантиферромагнитный резонансы.Электронным парамагнетизмом обладают: всеатомы и молекулы с нечетным числом электронов (неспаренные, нескомпенсированныеэлектроны) на внешних электронных оболочках, - в этом случае полный спин системы неравен нулю (свободные атомы натрия, газообразная окись азота и т.д.); атомы и ионы снезаполненной внутренней электронной оболочкой (редкоземельные элементы, актинидыи др.) и т.п. ЭПР - совокупность явлений, связанных с квантовыми переходами,происходящими между энергетическими уровнями макроскопических систем подвлиянием переменного магнитного поля резонансной частотыВ эксперименте явление ЭПР - Е.К.

Завойский (1944). ЭПР - мощное средствоизучения свойств парамагнитных веществ в макроскопических количествах.Макроскопическая магнитная характеристика вещества - вектор намагничиванияI = N    , где N – число частиц в единице объема вещества,    – средний магнитныймомент частиц. Система моментов всех парамагнитных частиц данного вещества - спин–система.

Остальные степени свободы парамагнетика – окружение магнитных моментов «решетка». Два типа взаимодействий: взаимодействие магнитных моментов между собой(спин–спиновое взаимодействие) и взаимодействие магнитных моментов со своимокружением (спин–решеточное взаимодействие). В изолированной спин–системестационарного поглощения энергии переменного поля не может происходить: довключения переменного магнитного поля число частиц в основном состоянии N1 большеих числа N 2 в возбужденном состоянии.

При поглощении энергии N 1 уменьшается, а N 2увеличивается - пока числа N 1 и N 2 не сравняются, - насыщение. С учетомвзаимодействия спин–системы с решеткой стационарное поглощение энергии становитсявозможным. Решетка - сток энергии и в этом процессе она нагревается. Изменениевектора намагничивания (уравнение Блоха (1946)): dI( I − I ),(3.69)=  IB  + 0dt = ( x, y, z );  – гиромагнитное отношение;  x =  y =  2 – время спин–спиновой (или поперечной) релаксации;  z  1 – времяспин–решеточной (или продольной) релаксации; I 0 – равновесноезначение вектора намагничивания в постоянном магнитном полеB0 = (0, 0, B0 ) .

Значения величин  1 и  2 зависят от особенностейвзаимодействия каждой частицы с окружающими ее частицами.Определение времен релаксации – основная экспериментальная задача метода магнитногорезонанса. Поглощаемая парамагнитным веществом мощность излучения W ( )W ( ) = AB12G ( ) ,(3.70)А – некоторый множитель, B1 – амплитуда переменного магнитного поля; 0 = B0 –частота прецессии.

Форма кривой поглощения определяется функцией:G ( ) =  2 / 1 + ( 0− ) 2 22 +  2 1 2 B 21/ 2 .(3.70а)Лоренцевская форма. Максимум при резонансе:  = 0 . Ширина линии поглощения:2(3.70б) =1 +  2 1 2 B12 .2Метод ЭПР - времена релаксации, ядерные магнитные моменты, проводитьколичественный анализ любых парамагнитных веществ вплоть до 10 −12 г вещества,определять структуру химических соединений, электронные конфигурации, измерятьслабые напряженности магнитного поля от 2 до 100 Э и т.д.Эффект Штарка.Расщепление уровней энергии атома во внешнем электрическом поле - эффектШтарка (1913).

Эффект Штарка наблюдается в любой разрядной трубке внепосредственной близости от катода. Квантовое объяснение (Эпштейн и Шварцшильд,1916). Дополнительная энергия атома: (3.71)E = −d  F = −d z F .d - средний дипольный электрический момент, внешнее электрическое поле F = (0,0, F )В отличие от магнитного поля расчет дополнительной энергии атома (3.71) не удаетсяпровести с помощью простых модельных представлений.Эффект Штарка зависит от природы дипольного момента атома. Если атом имеетсобственный электрический дипольный момент, то - линейный эффект Штарка. Вовнешнем электрическом поле - индуцированный дипольный момент: d z =  F , где  –коэффициент статической поляризуемости атома - квадратичный эффект Штарка.

Длябольшинства атомов эффект Штарка квадратичный. Исключение - атом водорода, такжеатомы, находящиеся в сильно возбужденных (водородоподобных) состояниях.Во внешнем электрическом поле - не только расщепление уровней энергии, но иизменение времени жизни атомных состояний. Например, при помещении атома водородав электрическое поле 500В время жизни метастабильного состояния 2 2S1/ 2 уменьшаетсяна девять порядков. В достаточно сильном электрическом поле - ионизация атома.Возбужденные атомы.Возбуждение атомов: электронным ударом; оптическое возбуждение (оптическаянакачка); термическое возбуждение.

Нижние возбужденные состояния атомов:резонансно–возбужденные и метастабильные состояния.Атом МетастабильныесостоянияH2 2 S1/ 20,12Резонансновозбужденныесостояния2 2PHe2 3 S179002 1 P1He1OHgHg2 S02 1 D26 3 P0Излучательноевремя жизни(с)Излучательноевремя жизни( 10 −9 с)0,5551,60,0213 P11,71001,46 3 P11186 1 P11,6Когда спонтанное испускание фотона (однофотонный распад) запрещается правиламиотбора, возможен двухфотонный спонтанный распад.

Процесс многофотоннойионизации атома. В эксперименте наблюдалась ионизация атома гелия (потенциалионизации 24,58 В) в результате поглощения 21 фотона излучения неодимового лазера ( =1,06  10 −4 см).Высоковозбужденные состояния атома - ридберговские состояния:Теоретические и экспериментальные исследования глубокого охлаждения атомови удержания их в ограниченном объеме (Летохов, 1981).Неупругие удары второго рода.Неупругие столкновения электронов с атомами приводят к потере энергииэлектронами и возбуждению атомов - неупругие удары первого рода. Неупругий ударвторого рода: возбужденный атом сталкивается с медленно движущимся электроном. Врезультате удара - атом без излучения переходит в основное состояние, его избыточнаяэнергия передается электрону, который приобретает дополнительную кинетическуюэнергию.

Наиболее вероятные удары второго рода - в случае возбужденных атомов,находящихся в метастабильном состоянии.Удары второго рода между возбужденным и невозбужденным атомами.Переход энергии возбужденного атома в кинетическуюэнергию сталкивающихся атомов маловероятен.Явлениесенсибилизированнойфлуоресценции(Карио,Франк,1922).Преобразованиекоротковолнового излучения в длинноволновое.Сенсибилизированная флюоресценция – неединственныймеханизмбезызлучательногоосвобожденияэнергиивозбужденныматомом.Процессы, в которых один или оба сталкивающихсямедленных атомов находятся в возбужденныхсостояниях, - в результате образуются ионы и быстрые электроны - процессыхемоионизации: ионизация Пеннинга и ассоциативная ионизация. Если звездочка надбуквой атом в возбужденном состоянии, то процесс Пеннинга: A * + B* → A+ + B + e .

Впроцессе ассоциативной ионизации при столкновении двух возбужденных атомовобразуется молекулярный ион ( AB )+ и быстрый электрон: A * + B* → ( AB ) + + e ..

Характеристики

Список файлов лекций