Ядра в лучах лазера - Гангрский Ю.П.
Скачать (прямая ссылка):
Длительность импульса
В экспериментах по исследованию ядерной структуры необходимо иметь очень узкую по частоте линию лазерного излучения для разрешения атомных переходов, связанных с возбуждением всех компонентов сверхтонкой структуры. Процедура настройки лазера, проведения измерений и обработки результатов может производиться с применением ЭВМ.
ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЯДЕРНОЙ СТРУКТУРЫ
Раздел оптической спектроскопии, в основе которого лежит использование лазерного излучения для исследования атомных ядер, получил название ядерно-лазерной спектроскопии. Описанные выше свойства лазерного излучения определяют основные достоинства ядерно-лазерной спектроскопии: высокое энергетическое разрешение оптических спектров, возможность селективной регистрации небольших количеств атомов. Появление лазерной спектроскопии не только увеличило точность и чувствительность прежних оптических экспериментов, но и резко повысило быстродействие оптического метода, что позволило расширить область исследований на радиоактивные ядра с малыми временами жизни, изучать ядра в возбужденных (метастабильных) состояниях, измерять скорости атомных ядер.
Лазерное излучение не может прямо взаимодействовать с атомным ядром. Ядро находится в глубине атома, составляющие его протоны и нейтроны связаны вместе мощными ядерными системами. Энергия связи
стройки Ширина линии
400—800 нм 10 МГц (без блока ак-
при синхронизации мод
5Х10-12 с
15
нуклона в ядре составляет около 5—8 МэВ, в то время как энергия лазерных фотонов лежит в пределах нескольких электронвольт, т, е. на шесть порядков ниже. Лазерное излучение взаимодействует с электронами атома. Возбуждение электронной оболочки при поглощении атомом лазерного излучения приводит к появлению оптического спектра, состоящего из отдельных линий, соответствующих энергетическим уровням электронов. Измеряя компоненты такого спектра, можно определить размер и форму ядра, величины ядерного спина / и магнитного дипольного момента ядра \х7 , что и было предметом изучения для классической оптической спектроскопии стабильных ядер в относительно больших количествах.
Уровни энергии. Каждый химический элемент обладает присущим только ему характеристическим линейчатым спектром. Оптические спектры элементов были открыты Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном еще в середине XIX столетия, объяснение их происхождения дал в начале нашего века Н. Бор. Он предположил, что в атоме имеется набор дискретных энергетических состояний (уровней энергии), и постулировал, что при переходе атома из одного состояния в другое он испускает или поглощает свет. Частота испускаемого света v определяется разницей энергий этих ^состояний, т. е. соотношением AE = Hv9 где h — известная постоянная Планка (ft ==6,625-10~34 Дж-с). Модель атома Бора основывалась на классическом представлении о том, что вокруг ядра вращаются электроны и каждому энергетическому состоянию (уровню энергии) атома соответствует определенный радиус орбиты электрона относительно ядра.
Современная квантовая теория позволяет говорить лишь о вероятности нахождения электрона в определенном месте пространства вокруг ядра. Она оперирует так называемыми волновыми функциями, которые являются решениями уравнения Шредингсра, описывающего атом с учетом заряда ядра, влияние электрических и магнитных полей на динамику атома.
Атомные энергетические уровни зависят от заряда ядра, который определяется числом протонов в ядре. Этот заряд генерирует электрическое поле, связывающее отрицательно заряженные электроны атома с ядром. Если ядро имеет суммарный собственный угловой момент, или спин /, тогда, поскольку ядро заряжено,
IG
возникает магнитное поле, которое влияет па энергию электронов (положение их энергетических уровней). К тому же если ядро иесферично, его электростатическое поле также изменяет энергию атома, особенно вблизи ядра. Эти два эффекта расщепляют структуру атомных уровней на несколько компонент, образующих сверхтонкую структуру оптического спектра атома.
Другой эффект, который может быть измерен, — изотопический сдвиг. Как указывает само название, это есть изменение энергии электронных уровней атома разных изотопов одного и того же элемента. Изотопы элемента имеют одинаковое число протонов в ядре, следовательно, одинаковые заряды, но разное число нейтронов, а следовательно, разные массы. Таким образом, изотопический сдвиг вызывается отчасти изменением массы ядра, отчасти изменением его формы. Энергия электронов зависит от размеров ядра, поскольку в некоторых случаях электроны проникают в области ядра или, в терминах квантовой механики, волновые функции, описывающие состояние ядра, перекрываются с волновыми функциями электронов.
Принцип Паули. Квантовомеханическая теория приписывает каждому стационарному состоянию микрочастицы в атоме четыре квантовых числа: и, /, т и 5, Главное квантовое число п определяет величину энергии этого состояния, орбитальное квантовое число / — величину момента количества движения частицы, магнитное число т — величину проекции момента количества движения на направление магнитного поля, 5 — собственный момент количества движения (спин) частицы. Как показало изучение спектров различных элементов, электроны в атомах ориентируются так, что направление спина совпадает с направлением орбитального момента / или противоположно ему. Для характеристики величины полного момента количества движения электрона введено еще одно квантовое число — /„ Оно связано с / и s соотношением / = /±72.
