Ядра в лучах лазера - Гангрский Ю.П.
Скачать (прямая ссылка):
Для примера, если стационарное состояние атома (энергетический уровень) характеризуется состоянием одного электрона, то этому состоянию можно приписать следующие значения квантовых чисел: я = 1, / = 0, /=72
ш;=±72.
В. Паули в 1925 г. сформулировал принцип, согласно которому в атоме в определенном энергетическом со-
CG4-2
17
стоянии может находиться не более одного электрона, т. е. в атоме не могут существовать два или более электронов в состояниях, характеризуемых одинаковыми значениями четырех квантовых чисел. Общее число различных состояний электронов в атоме раьно 2п2.
Сверхтонкая структура оптических спектров. Если считать атомное ядро точечным зарядом величиной Ze, то кулоновскому взаимодействию между ядром и электроном соответствует энергия стационарного состояния атома E = RcHZ2Jn2, где R — постоянная Ридберга; h — постоянная Планка; с — скорость света; п — главное квантовое число. Излучение квантов света при переходе атома из одного состояния в другое, с более низкой энергией, определяет положение спектральных линий в атомных спектрах.
При учете спина электрона энергетическая схема уровней атома усложняется вследствие взаимодействия между спином и моментом количества движения электрона. В результате спин-орбиталыюго взаимодейст-
расщеплению линий тонкой структуры на линии сверхтонкой структуры. Таким образом, наличие моментов у ядер проявляется в сверхтонкой структуре спектраль-
вця возникает тонкая структура спектра, при которой отдельные энергетические уровни характеризуются набором ЧИСеЛ Al, / И /.
Рис. 3. Векторная модель атома: F — полный момент атома; / — момент ядра; / — момент электронной оболочки
Согласно векторной модели атома полные моменты количества движения электронной оболочки / и ядра / складываются в суммарный момент атома F благодаря наличию магнитного взаимодействия ядра с электронной оболочкой (рис. 3). Магнитный момент ядра [Xy связывает спин ядра / со спином J электронной оболочки, эта связь приводит к
18
F = I + J
б в
Рис, 4. Сверхтонкая структура атомных уровней
ных линий, обнаруженной впервые в 1928 г. советскими физиками А. Н. Терениным и Л. Н. Добрецовым и одновременно немецким физиком Г. Шюлером на изотопе натрия.
Так как энергия, обусловленная магнитным взаимодействием ядра с электронной оболочкой, примерно в 1000 раз меньше энергии взаимодействия орбитальных и спиновых моментов электронов, то и интервалы между линиями в сверхтонкой структуре спектра примерно в такое же число раз уже, чем в тонкой структуре. Отсюда — большое значение высокой монохроматичности и энергетического разрешения лазерной спектроскопии.
Следует добавить, что энергия спектральных линий может дополнительно увеличиваться или уменьшаться при взаимодействии статического квадрупольного момента ядра Qs с электронной оболочкой. Величина Q3 положительна для ядер, удлиненных в направлении момента /, и отрицательна для ядер, сплющенных в этом направлении.
Кроме того, если поместить атомы во внешнее магнитное поле, то происходит дополнительное расщепление уровней сверхтонкой структуры (эффект Зеемана), связанное с ориентацией полного момента атома F относительно вектора приложенного поля (рис. 4).
19
Анализ сверхтонкой структуры позволяет определить значение спина ядра./ по числу и относительной интенсивности компонент структуры, значения магнитного дипольного и электрического квадрупольного моментов по величине расщепления линий сверхтонкой структуры. Используя лазеры с перестраиваемой частотой, такой анализ можно проводить с большой точностью.
Изотопические сдвиги в оптических спектрах. Изучение изотопических сдвигов в оптических спектрах является эффективным методом определения зарядовых радиусов стабильных и радиоактивных ядер. Обычно для получения ядерных параметров используют переходы в атомах, связанные с темп орбитальными электронами, волновые функции которых имеют заметную величину внутри ядра. Например, для s-электронов (I— = 0) и р-электронов (/=1) используются переходы типа ns2->nsnp или ns-^np. Для s-электронов в атоме волновая функция в области ядра имеет максимум. Используются также и другие переходы, в которых изменяется экранировка внутренних заполненных s-оболочек, как, например, в редкоземельных элементах.
Для получения информации о средних квадратичных зарядовых радиусах ядра <г2> необходимо из полного изотопического сдвига частоты Av — изменения частоты при переходе от изотопа с массовым числом А к изотопу А і — выделить эффект, связанный только с изменением объема ядра. Существуют специальные методы вычислений так называемого полевого сдвига, т. е. части изотопического сдвига, связанной с изменением объема, в зависимости от массы ядра.
Часть изотопического сдвига, связанного с изменением массы изотопа для переходов типа s->p, определяется легко. Для средних и тяжелых ядер она равна ~Avm^v/1836, ее значение для Z>50 порядка 1% от объемного сдвига Av v.
Изомерные сдвиги. Вещество может существовать в метастабильных состояниях, которые отличаются от основного состояния формой ядер, а следовательно, и зарядовым распределением нуклонов. Тогда в оптическом спектре атомов одного и того же изотопа могут возникать кратковременные смещения линий, называемые изомерными сдвигами.
