Надтонка структура

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Тонка надтонка структура атома водню.

Надтонка структура — розщеплення спектральних ліній завдяки взаємодії електронної підсистеми атомів із спіном ядра, а також через існування різних ізотопів елементів і різних взаєморозташувань магнітного моменту ядра і електронної оболонки.

Пояснення, що пов'язує ці лінії зі спіном ядра, запропонував Вольфганг Паулі.

Дослідження надтонкої структури спектральних ліній можна використати для визначення спіну ядра, який для натрію дорівнює 3/2 в одиницях сталої Планка.

Надтонка структура атома цезію використовується в сучасному визначенні одиниці часу — секунди.

Історія[ред.ред. код]

Перші спостереження надтонкої структури відносяться ще до 19 століття: у 1891 році Майкельсон спостерігав її за допомогою свого інтерферометра. Після цього її описували Фабрі і Перо у 1897[1], а пізніше Лумме і Герке[2]. Виявилося, що кожна спектральна лінія, насправді, складається з багатьох (до 10 і більше) компонент.

Паралельно з им, у 1910 році була відкрита ізотопія радіоактивних, а у 1912 році і не радіоактивних елементів. У 1918 році Аронберг зміг експериментально виявити ізотопічний зсув, порівнюючи випромінювання двох зразків свинцю.[3]

У 1924 році Паулі припустив, що це розщеплення пов'язано з взаємодією магнітного моменту ядра і електронів. [1]

В 1925 році Гоудсміт і Уленбек відкрили спін електрона, завдяки чому у 1927-1928 роках Бак і Гоудсміт змогли теоретично інтерпретували отримані до того часу результати. Протягом наступних трьох років їх результати доповнювалися і уточнювалися багатьма вченими: у цьому напрямку працювали Фермі, Бечер[en], Казімір[en], Гарґрівз та інші.[1] Велике значення для пояснення цього явища мали точні спостереження надтонкої структури подвійної жовтої D-лінії натрію, що провели у 1928 році О. М. Теренін та Л. М. Добрєцов.

Механізми виникнення надтонкої структури[ред.ред. код]

Існує кілька незалежних причин розщеплення спектральних ліній, які, поєднуючись, роблять картину дуже складною.

Ізотопний зсув[ред.ред. код]

Взаємодія між електроном і ядром визначається, в першу чергу, їх електричним зарядом, який є однаковим для різних ізотопів. Проте, електрон обертається не навколо ядра, а навколо центру мас системи "ядро-електрон", положення якого залежить від маси ядра. Завдяки розщепленню такого типу, кожна спектральна лінія розпадається на декілька ліній, відповідно до кількості ізотопів елементу. Втім, ця спрощенна схема пояснює лише розщеплення ліній елементів з малою і середньою атомною масою. Для важких ядер цей ефект мав би створювати нехтувальні зміщення, тоді як есперименти навпроти, показують, що для таких ядер ізотопний зсув є особливо яскраво вираженим. Це пов'язано з тим, що для важких ядер важливою є зміна геометричних розмірів ядер.[4]

Взаємодія магнітних моментів[ред.ред. код]

Магнітний дипольний момент ядра залежить від орбітальних і спінових моментів нуклонів наступним чином:

,
p n
gl 1 0
gs 5.5855 -3.82629

де mn — маса нуклона, A — кількість нуклонів у ядрі, gl, gs — орбітальне і спінове гіромагнітне співвідношення, значення яких представлені в таблиці:[5].

Величину називають ядерним магнетоном, і вона є природньою одиницею виміру магнітного моменту ядра. За величиною ядерний магнетон в (тобто в 1836) разів менший за магнетон Бора, а тому магнітні моменти ядер також на три порядки менші, ніж магнітні моменти електронів.

Якщо ядро атому має момент обертання I, а електрон — момент кількості руху J (що дорівнює суммі орбітального моменту і спіну), то їх сукупний момент F, в залежності від їх взаєморозташування може приймати усі цілі значення від до . Відповідно, змінюється і енергія взаємодії ядра і електрону. Якісно це виражається в тому, що кожен енергетичний рівень електрона, якому відповідає спектральна лінія розділяється на 2I+1 або 2J+1 підрівнів, (якщо J більше за I, або навпаки, відповідно). Виходячи з того, що взаємодія між магнітними моментами пропорційна косинусу кута між їх напрями, величину цього розщеплення можна оцінити, як

,

де H(0) — величина магнітного поля електронів на місці ядра, що залежить від J, та інших квантових чисел, а μ — магнітний момент ядра. [6]

Максимальна відстань між лініями, таким чином, дорівнює

, якщо I≥J, або
, якщо J≥I.

Правила відбору визначають, з якої підорбіталі на яку може перейти електрон, а отже і яку енергію він може при цьому випромінити. Одне з правил визначає можливі варіанти зміни F: ΔF=0, ±1, окрім випадку F1=0, F2=0.

За величиною, надтонке розщеплення на три порядки менше, ніж відстань між компонентами тонкої структури, і складає кілька гігагерц для основного стану. Для збуджених станів надтонке розщеплення зменшується оберненно пропорційно енергії зв'язку збудженого електрона в ступені 3/2.[7]

Взаємодія з квадрупольним електричним моментом[ред.ред. код]

Електричний дипольний момент ядра дорівнює нулю в основному стані, через парність квадрату його хвильової функції ядра [8], проте ядро (якщо воно несферичне) має квадрупольний момент, взаємодія з яким призводить до додаткового розщеплення спектральних ліній.[9] Квадрупольне розщеплення є значно меншим за розщеплення, пов'язане з магнітною взаємодією.

Значення[ред.ред. код]

При J > I, вивчення надтонкої структури спектру дозволяє легко дізнатись спін ядра — у цьому випадку, достатньо просто підрахувати кількість ліній, на які розпадається спектральна лінія: воно буде рівним 2I+1.

Складнощі експериментального дослідження[ред.ред. код]

Незважаючи на дуже малу відстань між лініями, роздільної здатності навіть простих інтерферометрів, таких як інтерферометр Фабрі-Перо достатньо для їх розділення. Головною складністю при цьому є ширина самих ліній. Доплерівське розширення, викликане доплерівським зсувом спектрів атомів через їх тепловий рух, робить ширину ліній більшою, ніж відстань між ними[2]. Так, наприклад, для повного розділення ліній натрію, його потрібно охолодити до 5K, що на практиці важко реалізувати — адже ці атоми постійно освітлюються. Для вирішення цієї проблеми, можна використовувати пучки швидких атомів, що рухаються перпендикулярно напрямку спостереження. Для більш важких елементів швидкості теплового руху менші, тому може використовуватися звичайний жеврійний розряд.

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

CHEM: Це незавершена стаття з хімії.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.