Физика молекул - Леше А.
Скачать (прямая ссылка):
лосы поглощения в диапазоне длин волн от 1 до 3 см. С помощью более совершенной техники в этой полосе в 1964 г. было найдено более 100 отдельных линий.
Структура и кривая потенциала молекулы NH3 изображены на рис. 5.14. Нижние колебательные уровни вырождены. Вероятность нахождения атома N по обе стороны от потенциального барьера одинакова. Вероятность туннельного эффекта и
вместе с ней частота туннельного перехода тем больше, чем меньше ширина А барьера. Частота определяется формулой
^HHB Д2 " ^Ev, (5.56)
где AEv — разность энергий колебательных уровней. Очевидно, что с ростом J или с ростом К при постоянном J центробежные силы вызывают расширение Н-треугольника, в результате чего А уменьшается, a vHHB увеличивается. Согласно этому Vhhb зависит от / и К и, конечно, также от массы протона. Интенсивность линии хорошо описывается выражением (5.42). Исключение составляет линия 3,3 (/ = 3, K = 3). Ее интенсивность по сравнению с другими линиями особенно велика (а = 7,2-IO-4 см-1). Это связано с тройной симметрией молекулы (табл. 5.2). Инверсионный спектр имеет сверхтонкую структуру, так как 14N обладает ядерным спином I = 1 (4 линии-сателлиты).
Таблица 5.2. Некоторые инверсионные линии аммиака
H NH3 /. К 10*а, см 1
Частота, МГц
19838,4 5,1
20371,5 5,2 0,28
21285,3 5,3 1,50 •
22653,0 6,4 1,70
24532,9 5,5 3,70
22234,5 3,1 0,3
22834,1 3,2 1,30
23870,1 3,3 7,2
18391,6 6,1
18884,9 6,2
19757,6 6,3 0,63
20994,6 6,4 0,54
22732,4 6,5 1,50
25056,0 6,6 3,20
15 NH3 J. К 104а, см 1
Частота, МГц
19387,5 5,1
20272,0 5,3 0,006
23421,9 5,5 0,014
22789,4 3,3 0,027
17943,4 6,2
21667,9 6,5
23922,32 6,6
Л
На языке квантовой механики мы приписываем двум возможным вариантам собственные функции и фр. Это позволяет составить две различающиеся в своей основе функции состояния, симметричную и антисимметричную (ср. с теорией иона Ш, п. 4.3.2):
= = (5.57)
Перестановка местами фа и фр в \|)s ничего не меняет. Это соответствует бездипольному состоянию. Атом N быстро колеб-
Молекулярная спектроскопия
161
лется между двумя положениями. Для функции 1]э0 этот атом находится по одну сторону от потенциального барьера. Поэтому такое «инверсное основное состояние» имеет полярный характер. Инверсионные ЛИНИИ возникаю^ при переходе OT -ф S к а и обратно.
5.1.8. Аммиачный мазер
Очень сильное йоглощение линии 3,3 уже в 40-е годы послужило причиной попыток использовать частоту этого перехода для создания точных часов. Однако созданные в то время установки, в которых кварцевый генератор управлялся по высокой гармонике молекулярными колебаниями, работали лишь в течение нескольких часов. Успех в 1954 г. обеспечил другой принцип, основы которого были заложены Эйнштейном (Гордон, Цайгер, Тауцс) >).
Рис. 5.15. Схема мазера на NH3.
а — устройство для разделения возбужденных (симметричных) и иевозбуж-деииых молекул. Вакуумный колпак не показан-, б — поперечное сечение стержней, создающих квадрупольиое поле. В центре показано сечение молекулярного пучка.
1 — источник NH3; 2 — диафрагмы; 3 — выход; 4 — резонатор; 5 — Q-поле.
Уже в 1951 г. Фридбург и Поль нашли, что п.учок нейтральных частиц может быть сфокусирован при помощи электрического квадрупольного поля. Это позволяет направить в резонатор пучок молекул аммиака в состоянии и рассеять молекулы в состоянии фа (рис. 5.15). В резонаторе, настроенном на частоту 3.3, сначала несколько молекул случайным образом перейдут в основное состояние. При этом выделится энергия в виде квантов /I-Vhhb и, следовательно, повысится плотность энергии поля в резонаторе. Это вызовет новые индуцированные переходы до тех пор, пока потери в резонаторе не будут точно скомпенсированы поступающей в него энергией. Таким образом, «усиление микроволн вынужденным излучением» (от англ. Microwave Amplfiication by Stimulated Emission of Radiation, MASER) приводит к образованию генератора.
Типовая квадрупольная линза имеет длину примерно от 20 до 40 см. Электроды отстоят друг от друга на 3—4 см. Рабочее
а.
*) А также Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. — Прим. ред.
напряжение составляет 30 кВ. Мощность излучения примерно равна IO-10 Вт, что достаточно для управления другими генераторами и позволяет поддерживать их частоту генерации с точностью до Av/v « IO-12.
5.1.9. Экспериментальная техника
В диапазоне частот работы мазеров практически могут быть использованы лишь полые резонаторы и волноводы. Блок-схема установки для радиоспектроскопии показана на рис. 5.16. Микроволновый генератор должен быть малошумящим. Применяются отражательные клистроны, лампы обратной волны. Более редко используются усилительные лампы, например лампы бегущей волны. Эти приборы позволяют генерировать волны не короче нескольких миллиметров. Для получения более коротких волн необходимо воспользоваться умножением частоты при помощи диодов и других приборов.
3-
Рис. 5.16. Схема радиоспектроскопа. 1 — источник; 2 — волновод; 3 — согласование; 4 — образец; 5 — измерение интенсивности.
