Что такое моменты атомов и ядер: ядерные моменты? Значение моменты атомов и ядер: ядерные моменты в энциклопедии Кольера

моменты атомов и ядер: ядерные моменты - К статье МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР

Существует ряд методов измерения ядерных моментов; ниже обсуждаются некоторые из них.

Оптическая спектроскопия. Один из наиболее важных методов измерения ядерных моментов основан на изучении так называемой сверхтонкой структуры атомных спектров, для возбуждения которых в настоящее время часто используют лазеры. Значение спина можно определить по числу компонент спектральных линий или по относительной интенсивности линий. Спин, магнитный момент и электрический квадрупольный момент можно определить по расстоянию между компонентами или по влиянию магнитного поля на линии. Спин можно также определять по полосатым спектрам двухатомных молекул.

Методы молекулярных пучков. Методы молекулярных пучков, разработанные О.Штерном, И.Раби, Н.Рамзеем, У.Ниренбергом и другими исследователями, особенно эффективны при исследовании ядерных моментов. Известен ряд методов молекулярных пучков. В одном из них, применявшемся Штерном для измерения ядерных моментов водорода и дейтерия, использовались молекулярный водород и установка, в принципе сходная с установкой в опыте Штерна и Герлаха. Поскольку в молекулярном водороде магнитные моменты электронов почти точно компенсируют друг друга, наблюдаемое отклонение обусловлено, главным образом, магнитным моментом ядра. Поэтому измеренное отклонение позволяло определить ядерный магнитный момент. В экспериментах с пучками, проведенных Раби с сотрудниками, использовались атомы с отличным от нуля электронным магнитным моментом, из которых формировался атомный пучок, пропускавшийся через один или два отклоняющих магнитных поля такого же типа, как в опыте Штерна - Герлаха. Путем подбора магнитных полей и исследования картины отклонения или перефокусировки пучка атомов удалось получить сведения о связи ядерных и электронных моментов. Таким путем удалось измерить спины ядер, а также характеристики взаимодействия ядерных магнитных моментов и электрических квадрупольных моментов.

Наиболее эффективным методом изучения ядерных моментов, по-видимому, следует считать измерение поглощения атомами и молекулами электромагнитного излучения радиочастотного и микроволнового диапазонов. Как и в оптической спектроскопии, поглощение излучения молекулой происходит на частоте ?, отвечающей значению h. = ?E, где ?E - разность энергий двух состояний, соответствующих разрешенному переходу. В случае простого магнитного момента . ядра со спином I, находящегося в магнитном поле Н, величину ?E можно вычислить теоретически, и оказывается, что резонанс происходит на частоте ?, такой, что h. = ?H/I, где . - магнитный момент ядра. В этом соотношении h - постоянная Планка, а поэтому, измерив H и ?, можно найти отношение магнитного момента к спину. Если же взаимодействие в молекуле оказывается более сложным, то равенство величин ?E и ?H/I нарушается и поглощение излучения происходит на частотах, отличающихся от соответствующих равенству h. = ?H/I. Дополнительное взаимодействие может иметь место в случае ядра, обладающего электрическим квадрупольным моментом, т.к. этот момент может взаимодействовать с неоднородным электрическим полем, создаваемым зарядами других атомов молекулы, в состав которой входит ядро. В этом случае частоты, на которых происходит поглощение, позволяют определить электрический квадрупольный момент ядра.

Описанный выше метод, основанный на поглощении радиочастотного излучения, впервые был успешно применен в 1937 И.Раби с сотрудниками и получил название метода магнитного резонанса на молекулярных пучках. Для регистрации факта поглощения Раби исследовал влияние поглощения на отклонение молекул в молекулярных пучках. Схема его экспериментальной установки приведена на рисунке. Молекулы из "печи" (термического источника) попадают в вакуумную камеру, в которой имеются магниты А и В, создающие неоднородные магнитные поля, направления неоднородностей который противоположны. В магните А молекулы отклоняются так, как это происходит в опыте Штерна и Герлаха, а затем перефокусируются магнитом В на детекторе при условии, что входящие в состав молекулы магнитные моменты одинаково ориентированы в А и В. Но если один из моментов переориентируется в средней области С, то перефокусировка не происходит и интенсивность пучка уменьшается. Поэтому в области С создают однородное магнитное и осциллирующее радиочастотное поля и измеряют поглощение радиочастотного излучения, регистрируя уменьшение интенсивности пучка. Типичные результаты эксперимента, проведенного с молекулами тяжелого водорода, представлены на рисунке. Это - зависимость интенсивности пучка от напряженности однородного магнитного поля в области С. Самый глубокий центральный минимум интенсивности пучка соответствует частоте . и напряженности поля H, которые связаны соотношением h. = ?H/I (см. выше), так что эти данные позволяют определить отношение магнитного момента к спину. Менее глубокие дополнительные минимумы обусловлены электрическим квадрупольным моментом; по их положению можно определить электрический квадрупольный момент ядра тяжелого водорода, или дейтрона. Рамзей показал, что более высокой точности в измерении резонансных частот удается достичь, если создавать осциллирующие поля в двух узких промежутках - в начале и конце области С.

Для изучения полярных молекул Раби и его сотрудники применили метод электрического резонанса на молекулярных пучках не с магнитными, а с электрическими отклоняющими, перефокусирующими и осциллирующими полями. Этот метод оказался особенно ценным для исследования взаимодействия ядерных электрических квадрупольных моментов.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). В 1946 Э.Парселл и Ф.Блох с сотрудниками впервые успешно применили метод магнитного резонанса, при котором не используется молекулярный пучок, но наблюдается резонансное поглощение радиочастотного излучения в образце. Парселл регистрировал непосредственно поглощение излучения, тогда как Блох использовал пару ортогональных катушек: колебания на резонансной частоте, происходившие в одной из катушек, вызывали в образце переориентацию ядер, прецессия которых индуцировала в другой катушке наблюдаемый сигнал.

А.Кастлер и другие экспериментаторы получили значительно более сильные атомные резонансные сигналы, изменяя распределение ориентации ядер посредством оптической накачки и регистрируя резонанс по изменению интенсивности и поляризации испускаемого света.

Поскольку ЯМР-резонансы чрезвычайно узки, их положение можно измерить с очень высокой степенью точности, что, однако, не повышает сразу же точность измерения магнитного момента ядра, т.к. существует магнитное экранирование, создаваемое окружающими молекулами и вызывающее так называемый химический сдвиг резонанса. Н.Рамзей вывел общее теоретическое выражение для химических сдвигов и выполнил приближенные вычисления для большого числа молекул. Однако точность таких вычислений, как правило, ниже точности резонансных измерений. Хотя это обстоятельство является недостатком с точки зрения точного измерения магнитных моментов ядер, благодаря ему метод ЯМР нашел свое самое важное применение - в химии. Поскольку относительные химические сдвиги можно определить экспериментально и, кроме того, они заметно зависят от типа молекулы и расположения в ней ядра, точные измерения резонансных частот оказались мощным средством химического анализа. Из-за узости ЯМР-резонансов и необходимости использования сильных магнитных полей неизвестные магнитные моменты труднее определять методом ЯМР, чем методом молекулярных пучков. Поэтому большинство магнитных моментов ядер были впервые обнаружены и измерены методом молекулярных пучков, хотя позднее многие резонансы были измерены с большей точностью методом ЯМР. См. также ХИМИЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ; СПЕКТРОСКОПИЯ.

Другие методы. Некоторые ядерные моменты определялись методами радиоспектроскопии: ионы захватываются электрическими и магнитными полями, после чего измеряются их магнитные моменты и константы внутренних взаимодействий. Такие методы оказались особенно эффективными с появлением методики лазерного охлаждения, позволившей охлаждать ионы до температур в несколько микрокельвинов, при которых ничтожно малы доплеровские эффекты уширения линий первого и второго порядков. Особенно важный пример - измерения магнитного момента электрона, проведенные Х.Демельтом и его сотрудниками. Эти измерения дали значение

?e = 1,001159652193(10)?0,

которое согласуется с предсказаниями квантовой электродинамики в пределах 10 знаков после запятой.

В настоящее время имеется также возможность захвата и лазерного охлаждения нейтральных атомов, которые затем используются для точных измерений.

Результаты измерений. С точки зрения теории ядра заслуживают внимания следующие результаты.

Магнитные моменты протона 1H1 и нейтрона 0n1 отличаются от ядерного магнетона, хотя исходное предсказание заключалось в том, что первый должен быть точно равен ядерному магнетону, а второй - нулю.

Разность магнитного момента дейтрона 1H2 и суммы магнитных моментов протона и нейтрона хотя и мала, имеет конечное значение. Это означает, что моменты протона и нейтрона в дейтроне аддитивны лишь приблизительно.

Магнитный момент 1H3 отличается от магнитного момента протона на 6,6%, хотя теоретически они должны быть равны.

У дейтрона имеется электрический квадрупольный момент, т.е. он отклоняется от сферической симметрии (имея форму мяча для игры в регби), тогда как теоретически предсказывалось, что он должен был бы обладать сферической симметрией.

Измеренный магнитный момент электрона согласуется с предсказанным квантовой электродинамикой вплоть до десятого знака после запятой. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ; МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС; МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА; МЕХАНИКА; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА; СПЕКТР; СПЕКТРОСКОПИЯ.

моменты атомов и ядер: ядерные моменты

К статье МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР Существует ряд методов измерения ядерных момент ов; ниже обсуждаются некоторые из них. Оптическая спектр оскопия. Один из наи более важных методов измерения ядерных моментов основан на изучении так называемой сверхтонкой структуры атомных спектров, для возбуждения которых в настоящее время часто используют лазеры. Значение спина можно определить по числу компонент спектральных линий или по относительной интенсивности линий. Спин , магнитный момент и электрический квадрупольный момент можно определить по расстоянию между компонентами или по влиянию магнитного поля на линии. Спин можно также определять по полосатым спектрам двух атомных молекул. Метод ы молекулярных пучков . Методы молекулярных пучков, разработанные О.Штерном, И. Раби , Н.Рамзеем, У.Ниренбергом и другими исследователями, особенно эффективны при исследовании ядерных моментов. Известен ряд методов молекулярных пучков. В одном из них, применявшемся Штерном для измерения ядерных моментов водород а и дейтерия, использовались молекулярный водород и установка , в принципе сходная с установкой в опыте Штерна и Герлаха. Поскольку в молекулярном водороде магнитные моменты электронов почти точно компенсируют друг друга, наблюдаемое отклонение обусловлено, главным образом, магнитным моментом ядра. По этом у измеренное отклонение позволяло определить ядерный магнитный момент. В экспериментах с пучка ми, проведенных Раби с сотрудниками, использовались атомы с отличным от нуля электронным магнитным моментом, из которых формировался атомный пучок , пропускавшийся через один или два отклоняющих магнитных поля такого же типа , как в опыте Штерна - Герлаха. Путем подбора магнитных поле й и исследования картины отклонения или перефокусировки пучка атомов удалось получить сведения о связи ядерных и электронных моментов. Таким путем удалось измерить спины ядер, а также характеристики взаимодействия ядерных магнитных моментов и электрических квадрупольных моментов. Наиболее эффективным методом изучения ядерных моментов, по-видимому , следует считать измерение поглощения атомами и молекулами электромагнитного излучения радиочастотного и микроволнового диапазонов. Как и в оптической спектроскопии, поглощение излучения молекулой происходит на частоте ?, отвечающей значению h. = ?E, где ?E - разность энергий двух состояний, соответствующих разрешенному переходу. В случае прос того магнитного момента . ядра со спином I, находящегося в магнитном поле Н, величину ?E можно вычислить теоретически, и оказывается, что резонанс происходит на частоте ?, такой , что h. = ?H/I, где . - магнитный момент ядра. В этом соотношении h - постоянная Планка , а поэтому, измерив H и ?, можно найти отношение магнитного момента к спину. Если же взаимодействие в молекуле оказывается более сложным, то равен ство величин ?E и ?H/I нарушается и поглощение излучения происходит на частотах, отличающихся от соответствующих равенству h. = ?H/I. Дополнительное взаимодействие может иметь место в случае ядра, обладающего электрическим квадрупольным моментом, т.к. этот момент может взаимодействовать с неоднородным электрическим полем, создаваемым зарядами других атомов молекулы, в состав которой входит ядро . В этом случае частоты, на которых происходит поглощение, позволяют определить электрический квадрупольный момент ядра. Описанный выше метод, основанный на поглощении радиочастотного излучения, впервые был успешно применен в 1937 И.Раби с сотрудниками и получил название метода магнитного резонанса на молекулярных пучках. Для регистрации факта поглощения Раби исследовал влияние поглощения на отклонение молекул в молекулярных пучках. Схема его экспериментальной установки приведена на рисунке. Молекулы из "печи" (термического источника) попадают в вакуумную камеру, в которой имеются магниты А и В, создающие неоднородные магнитные поля, направления неоднородностей который противоположны. В магните А молекулы отклоняются так, как это происходит в опыте Штерна и Герлаха, а затем перефокусируются магнитом В на детекторе при условии, что входящие в состав молекулы магнитные моменты одинаково ориентированы в А и В. Но если один из моментов переориентируется в средней области С, то перефокусировка не происходит и интенсивность пучка уменьшается. Поэтому в области С создают однородное магнитное и осциллирующее радиочастотное поля и измеряют поглощение радиочастотного излучения, регистрируя уменьшение интенсивности пучка. Типичные результаты эксперимента, проведенного с молекулами тяжелого водорода, представлены на рисунке. Это - зависимость интенсивности пучка от напряженности однородного магнитного поля в области С. Самый глубокий центральный минимум интенсивности пучка соответствует частоте . и напряженности поля H, которые связаны соотношением h. = ?H/I (см. выше), так что эти данные позволяют определить отношение магнитного момента к спину. Менее глубокие дополнительные минимумы обусловлены электрическим квадрупольным моментом; по их положению можно определить электрический квадрупольный момент ядра тяжелого водорода, или дейтрона. Рамзей показал, что более высокой точности в измерении резонансных частот удается достичь , если создавать осциллирующие поля в двух узких промежутках - в начале и конце области С. Для изучения полярных молекул Раби и его сотрудники применили метод электрического резонанса на молекулярных пучках не с магнитными, а с электрическими отклоняющими, перефокусирующими и осциллирующими полями. Этот метод оказался особенно ценным для исследования взаимодействия ядерных электрических квадрупольных моментов. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). В 1946 Э.Парселл и Ф. Блох с сотрудниками впервые успешно применили метод магнитного резонанса, при котором не используется молекулярный пучок, но наблюдается резонансное поглощение радиочастотного излучения в образце. Парселл регистрировал непосредственно поглощение излучения, тогда как Блох использовал пару ортогональных катушек: колебания на резонансной частоте, происходившие в одной из катушек, вызывали в образце переориентацию ядер, прецессия которых индуцировала в другой катушке наблюдаемый сигнал. А.Кастлер и другие экспериментаторы получили значительно более сильные атомные резонансные сигналы, изменяя распределение ориентации ядер посредством оптической накачки и регистрируя резонанс по изменению интенсивности и поляризации испускаемого света. Поскольку ЯМР- резонансы чрезвычайно узки, их положение можно измерить с очень высокой степенью точности, что, однако, не повышает сразу же точность измерения магнитного момента ядра, т.к. существует магнитное экранирование, создаваемое окружающими молекулами и вызывающее так называемый химический сдвиг резонанса. Н.Рамзей вывел общее теоретическое выражение для химических сдвигов и выполнил приближенные вычисления для большого числа молекул. Однако точность таких вычислений, как правило , ниже точности резонансных измерений. Хотя это обстоятельство является недостатком с точки зрения точного измерения магнитных моментов ядер, благодаря ему метод ЯМР нашел свое самое важное применение - в химии. Поскольку относительные химические сдвиги можно определить экспериментально и, кроме того, они заметно зависят от типа молекулы и расположения в ней ядра, точные измерения резонансных частот оказались мощным средством химического анализа. Из-за узости ЯМР-резонансов и необходимости использования сильных магнитных полей неизвестные магнитные моменты труднее определять методом ЯМР, чем методом молекулярных пучков. Поэтому большинство магнитных моментов ядер были впервые обнаружены и измерены методом молекулярных пучков, хотя позднее многие резонансы были измерены с большей точностью методом ЯМР. См. также ХИМИЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ; СПЕКТРОСКОПИЯ. Друг ие методы. Некоторые ядерные моменты определялись методами радиоспектроскопии: ионы захватываются электрическими и магнитными полями, после чего измеряются их магнитные моменты и константы внутренних взаимодействий. Такие методы оказались особенно эффективными с появлением методики лазерного охлаждения, позволившей охлаждать ионы до температур в несколько микрокельвинов, при которых ничтожно малы доплеровские эффекты уширения линий первого и второго порядков. Особенно важный пример - измерения магнитного момента электрона, проведенные Х.Демельтом и его сотрудниками. Эти измерения дали значение ?e = 1,001159652193(10)?0, которое согласуется с предсказаниями квантовой электродинамики в пределах 10 знаков после запятой. В настоящее время имеется также возможность захвата и лазерного охлаждения нейтральных атомов, которые затем используются для точных измерений. Результаты измерений. С точки зрения теории ядра заслуживают внимания следующие результаты. Магнитные моменты протона 1H1 и нейтрона 0n1 отличаются от ядерного магнетона, хотя исходное предсказание заключалось в том, что первый должен быть точно равен ядерному магнетону, а второй - нулю. Разность магнитного момента дейтрона 1H2 и суммы магнитных моментов протона и нейтрона хотя и мала , имеет конечное значение. Это означает, что моменты протона и нейтрона в дейтроне аддитивны лишь приблизительно. Магнитный момент 1H3 отличается от магнитного момента протона на 6,6%, хотя теоретически они должны быть равны. У дейтрона имеется электрический квадрупольный момент, т.е. он отклоняется от сферической симметрии (имея форму мяча для игры в регби ), тогда как теоретически предсказывалось, что он должен был бы обладать сферической симметрией. Измеренный магнитный момент электрона согласуется с предсказанным квантовой электродинамикой вплоть до десятого знака после запятой. См. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ; МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС; МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА; МЕХАНИКА; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА; СПЕКТР; СПЕКТРОСКОПИЯ.

Узнайте лексическое, прямое, переносное значение следующих слов:



Прикладные словари

Справочные словари

Толковые словари

Жаргонные словари

Гуманитарные словари

Технические словари