Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Раби, Дж. Р. Захариас, С. Мид-лман и П. Куш информировали коллег в двух
письмах в редакцию журнала The Physical Review (1938), и в статье (1939),
помещенной в том же журнале. Метод был основан на идее, выдвинутой двумя
годами раньше С. Дж. Гортером. Суть ее заключалась в том, что пре-
цессирующий гироскоп поглощает энергию от периодически меняющегося поля
только в том случае, если частота возмущения равна или близка к частоте
прецессии. Далее мы цитируем работу Раби и др. "Это относится не только к
ядерным магнитным моментам, но вообще к любым системам, обладающим
моментом импульса и магнитным моментом. Рассмотрим систему с моментом
импульса J (в единицах h/2n) и магнитным моментом щ Во внешнем магнитном
поле Но момент импульса будет прецессировать2 с ларморовой частотой v
(рад/с), равной
v = (6.1)
Наш метод состоит в измерении v при известном поле Но, и это -
существенное достижение метода, так как
1 Все моменты импульсов измеряются в единицах А.
2 Согласно квантовой механике, момент импульса, а вместе о ним и
магнитный момент составляют отличный от нуля угол 0 с направлением
магнитного поля. Следовательно, появляется момент силы sin 0,
направленный перпендикулярно как Но, так и /; этот момент и вызывает
прецессию.
116
Но может быть измерено обычным путем. Используя уравнение ([6].1), мы
находим гиромагнитное отношение [|x/J = g], Если, кроме того, момент
импульса J системы известен, можно оценить магнитный момент р. В
настоящее время наш метод не позволяет найти само значение J.
Процесс, с помощью которого измеряется частота прецессии V, имеет
довольно близкий аналог в классической механике. На описанную выше
систему накладывается дополнительное магнитное поле Яь значительно
меньшее Но и направленное перпендикулярно ему. Если начальные условия
таковы, что Hi перпендикулярно как Я о, так и угловому моменту J, то
прецессия, вызванная наложением поля Ни приведет к увеличению или
уменьшению угла между / и Яо (в зависимости от их относительного
направления). Если Яi заставить вращаться с частотой v, эффект будет
накапливаться и изменение угла может быть сделано большим. Очевидно, что,
если частота f обращения Н\ вокруг Но заметно отличается от v, суммарный
эффект будет малым... Чем меньше отношение Я^Яо, тем острее проявляется
этот эффект при расстройке частоты.
Любой метод, позволяющий обнаружить это изменение ориентации момента
импульса относительно Я0, может быть пригоден для измерения частоты
прецессии и соответственно магнитного момента.
Точное соблюдение изложенных выше начальных условий не столь важно; поле
Яi может быть вначале направлено под углом ф к плоскости, проходящей
через J и Я о, но оно по-прежнему должно быть перпендикулярно Н0...
На практике зачастую удобнее использовать осциллирующее, а не вращающееся
поле Н\, хотя ситуация в этом случае не столь ясная, как при вращающемся
поле, однако при достаточно малых осциллирующих полях1 следует ожидать
сходных эффектов. Простой расчет показывает, что никакого изменения в
величине проекции / на Я0 не произойдет до тех пор, пока частота
1 Известно, что переменное поле можно рассматривать как суперпозицию двух
полей, вращающихся в противоположных направлениях. Отсюда ясно, что
поведение системы в переменном поле в принципе мало отличается от ее
поведения но вращающемся поле.- Прим. ред.
117
колебаний поля не приблизится к частоте прецессий". Поскольку описанный
метод базируется на совпадении частот, он получил название резонансного.
"Установка, используемая в нашем эксперименте, схематически показана на
рис. [6] .1. Поток молекул из источника О, попадая в область глубокого
вакуума, ограничивается коллиматорной щелью S и детектируется
1__________________IUI___________________I
н
Рис 6.1. Принципиальная схема установки для измерения магнитных моментов
ядер методом резонансных молекулярных пучков [Pfiys. Rev., 55 (1939),
стр. 527, рис. 1].
любым подходящим для этой цели устройством D. Магниты А и В создают
неоднородные магнитные поля, градиенты которых d\H\/dz указаны стрелками.
При включении этих магнитов молекулы, имеющие магнитный момент, будут
отклоняться в направлении градиента, если проекция момента ц2 на
нацравление поля положительна, и в противоположную сторону, если эта
проекция отрицательна. Молекула, вылетающая из источника О в направлении
OS, будет отклоняться неоднородным полем магнита А вдоль оси Z; она
пройдет коллиматор-ную щель, только когда ее отклонение будет достаточно
малым или скорость весьма большой. Вообще говоря, для молекулы, имеющей
произвольный магнитный момент щ. и произвольную энергию mv2/2, можно
подобрать такое направление начальной скорости при выходе из источника,
что молекула пройдет коллиматорную щель. На рисунке такие траектории
показаны сплошными линиями. Обозначим через dA отклонение от прямой OSD в
области детектора, которое испытывает молекула
118
под действием только поля магнита А. Это отклонение можно выразить так:
