Гравитация и относительность - Цзю Х.
Скачать (прямая ссылка):
В своей второй статье [2] Коккони и Салпитер показали, что еще более высокая чувствительность при наблюдении анизотропии массы может быть достигнута, если рассматривать не электронные, а ядерные энергетические уровни, так как кинетическая энергия нуклона в ядре намного превышает кинетическую энергию электрона в атоме. Кинетическая энергия нуклона в ядре обычно составляет величину порядка 10 Мэе, тогда как кинетическая энергия электрона в атоме в IO6 раз меньше. Упомянутые авторы предложили, в частности, использовать эффект Мессбауэра, обеспечивающий весьма высокое относительное разрешение по энергии, для поисков эффектов масс-анизотропии в энергетических уровнях железа Fe57. В атомах железа возможен переход с «возбужденного ядерного уровня при / = 3/2 на основной уровень при / = V2 с энергией 14 кэв. Преимуществом эффекта Мессбауэра является то обстоятельство, что
216
Глава 6
может быть получена весьма узкая линия у-излучения, если ядро железа находится в связанном состоянии в кристаллической решетке, так что импульс отдачи при излучении укванта из яДРа распределяется сразу по всей кристаллической решетке. Вопрос состоит в том, имеются ли какие-либо эффекты масс-анизотропии, связанные с энергетическими уровнями или шириной линий. Иллинойсская группа [9] провела исследование ширины мессбауэровской линии как функции времени при изменении угла между магнитным полем и направлением на центр Галактики. Было установлено, что ширина линии постоянна в пределах точности эксперимента. Точность эксперимента определяется естественной шириной линии мессбауэровского резонанса (— IO-8зв), определяемой временем жизни возбужденного ядерного состояния (~10-7 сек). Эта ширина намного превышает ширину линии зеемановского резонанса в атоме, равную по порядку IO4 гц, но зато и член кинетической энергии T здесь также намного больше, что приводит в результате к более высокой точности по сравнению с эффектом Зеемана для атома. Иллинойсская группа пришла к заключению, что
-^¦<5- IO"16.
т0
Значительно большей чувствительности при проверке предположения об анизотропии массы можно добиться на основе обычного ядерного магнитного резонанса. Для обнаружения масс-анизотропии фактически требуется лишь одно: минимальная неопределенность наблюдаемой частоты. Эффект Мессбауэра этого не дает из-за малого времени жизни ядер в возбужденном состоянии. В случае же обычного ядерного магнитного резонанса вполне можно получить линии шириной порядка 1 гц и при этом еще воспользоваться преимуществом большой энергии связи и кинетической энергии нуклонов.
Ввиду этого мы провели обычный эксперимент по ядерному магнитному резонансу [10] типа впервые проделанного Блохом и Пэрселлом <в конце 40-х гг. [11]. По данным других экспериментов по ядерному магнитному резонансу можно приблизительно оценить верхний предел возможной Macq-анизотропии. Ho ни ц однрм ВД
Принцип Маха и эксперименты по анизотропии массы 217
них не проводилось систематического наблюдения резонанса на всем протяжении звездных суток и не принималось никаких мер для правильного выбора эталонов частоты.
Наш эксперимент проводился на ядрах Li7 в основном состоянии, обладающих ядерным спином 3/2. В таких ядрах, кроме замкнутых оболочек, имеется один дополнительный протон. Согласно оболочечной модели, этот лишний протон находится в состоянии Рь2, а поскольку оболочечная модель вполне успешно предсказывает величину ядерного магнитного момента, мы можем полагаться на нее в применении к ядру Li7. Напротив, ядра Fe57, используемые в опыте Мессбауэра, труднее интерпретировать с точки зрения оболочечной модели.
В магнитном поле у ядра Li7 имеются четыре энергетических уровня в соответствии с допустимым значением магнитного квантового числа M1. При полном отсутствии масс-анизотропии смежные уровни одинаково отстоят друг от друга, так что должна наблюдаться лишь одна резонансная линия. При наличии же масс-анизотропии появятся три различные разности энергии, которые приведут к триплету линий ядерного резонанса, если его структура поддается разрешению, либо к одной более широкой линии, структура которой не поддается разрешению (фиг. 6.5). Наблюдение резонансной линии Li7 производилось в течение 12 нас в 1-нормальном водном растворе FeCl3, насыщенном LiCl. Магнитное поле напряженностью около 4700 э было стабилизировано на частоте протонного резонанса с помощью эталона частоты «атомихрон». Для получения узкой линии у электромагнита были предусмотрены катушки, выравнивающие поле, а ядерный образец вращался. Наблюдалась лишь одна линия шириной 1,2 гц, обусловленной отчасти неоднородностью магнитного поля, а отчасти временем тепловой релаксации, связанным с магнитным дипольным взаимодействием ядер Li между собой. На протяжении звездного дня ширина линии изменялась менее чем на 0,2 гц. Теоретическое уширение линии за счет масс-анизотропии равно
Ar=I^rP2(COSP) (16)
218 Глава 6
[см. выражения (13) и (14)]. Принимая значение T средней кинетической энергии нуклона в ядре Li7 равным 10 Мэе, получим оценку Дт/т0<10"22 [12].
