ответы. 1. Энергетические величины. Поток излучения Фе величина, равная отношению энергии w излучения ко времени t, за которое излучение произошло Единица потока излучения ватт (Вт. Энергетическая светимость (излучательность) R
 Скачать 4.74 Mb.
|
СПИНОВОЕ ЭХО - явление повторного возникновения сигналов ядерной или электронной магн. индукции, обусловленное фазировкой спиновых магн. моментов под действием радиочастотных импульсов. Простейший вид С. э. открыт Э. Ханом Ев. Образец, содержащий ядра со спином и гиромагн. отношением , помещают в пост. магн. поле Ни подвергают действию радиочастотных импульсов линейно поляризованного магн. поля, удовлетворяющего условиям ядерного магнитного резонанса (ЯМР ;-импульса; б - расфазировка спинов, имеющих различные частоты прецессии, и их повторная фазировка после -импульса. Последующая прецессия вектора М вокруг Н в плоскости ху наводит в приёмной катушке спектрометра ЯМР сигнал свободной индукции. Со временем этот сигнал затухает (поперечная релаксация, т. к. ядерные спины находятся в разных локальных магн. полях и, как следствие, имеют различающиеся частоты прецессии. Это связано как с неоднородностью внеш. магн. поля Я, таки с внутр. магн. полями, создаваемыми ядрами друг на друге. Эфф. время поперечной релаксации , где DH - ширина линии ЯМР. Если локальные поля постоянны во времени (напр, обусловлены неоднородностью поля Н, то прецессия спинов оказывается обратимой и возможно наблюдение С. э. На рис. (б)показаны траектории движения двух ядерных спинов. Угл. частоты их прецессии отличаются от со на малые величины и равны соответственно и , поэтому во вращающейся системе координат они поворачиваются в плоскости ху за время т на углы и от оси у. Если теперь подать на оОразец второй радиочастотный импульс, аналогичный первому, нос длительностью t 2 = 2t 1 ( импульс, то спины повернутся вокруг оси хна угол и займут положения и . Двигаясь затем с прежними угл. скоростями ив том же направлении, оба спина спустя время t после второго импульса одновременно достигнут направления -у, те. произойдут фазировка ядерных магн. моментов и повторное появление сигнала индукции. Описанный механизм С. э. действует при условии t 1 , , что эквивалентно требованию В действительности восстановление сигнала свободной индукции методом С. э. не может быть полным потери обусловлены зависящими от времени внутр. локальными полями. Зависимость величины сигнала С. э. от времени позволяет измерять истинное время поперечной релаксации Т. Также исследуют структуру спектров ЯМР, скрытую неоднородным уширением. Существуют разл. модификации описанного варианта С. э. Трёхимпульсное С. э. делает возможным измерять наряду с Т время продольной релаксации Т 1 Многоимпульсные когерентные методы позволяют на неск. порядков повысить чувствительность и разрешающую способность ЯМР-спектроскопии. Методы С. э. используют также в ядерном квадрупольном резонансе и электронном парамагнитном резонансе, хотя при этом трудно выполнить условие . Большим своеобразием отличается С. э. в ферромагнетиках и антиферромагнетиках. Явления, аналогичные С. э, характерны и для систем иной природы, обладающих дискретным набором квантовых энергетич. уровней, уширенных статическими случайными полями. Известны, в частности, фотонное эхо , поляризац . эхо, фононное эхо и др. 31. Определение лэмбовского и изотопического сдвигов, СТС, фундаментальных констант методами лазерной спектроскопии ЛЭМБОВСКИЙ СДВИГ уровней - смещение уровней энергии связанных состояний электрона во внеш. поле, обусловленное радиационными поправками. Наиб. Ур-ние Дирака для электрона в кулоновском поле точечного ядра предсказывает вырождение уровней энергии связанных состояний, обладающих одними и теми же главным квантовым числом пи квантовым числом полного момента j, но разными значениями квантового числа орбитального момента Так, например, состояния и должны иметь одну и туже энергию. Эксперим. указания на несовпадение уровней энергии и атома водорода появились в 1934- 39 в результате тщательных спектроскопич. исследований линий серии Бальмера. Было обнаружено, что величина тонкого расщепления (см. Тонкая структура )меньше, чем это следовало из теории Дирака. Такое несовпадение могло быть объяснено тем, что уровень расположен выше уровня приблизительно на 1000 МГц. Однако вследствие доплеровского уширения спектральных линий точность экспериментов была невелика, что вызвало сомнения в реальности обнаруженного сдвига этих уровней. В 1947 У. Э. Лэмб (W. Е. Lamb) и Р. Ризерфорд (R. Retherford) посредством разработанного ими радиоспектроскопич. метода однозначно показали, что уровень 2S 1/2 действительно смещён относительно уровня на 1000 МГц [1]. Это открытие Нобелевская премия, 1955), а также теоретич. соображения, высказанные X. Бете (Н. Bethe), послужили толчком для всего последующего развития квантовой электродинамики (КЭД), края и дала исчерпывающее объяснение природы Л. с. Физической его причиной являются квантовые флуктуации вакуума эл--магн. и электрон-позитронного полей, к-рые меняют потеиц. энергию V(r)= - Ze 2 /r взаимодействия электрона с ядром (Ze - заряд ядра, г - расстояние от ядра. Качественно понять природу и оценить порядок величины лэмбовского смещения можно из след. соображений. Нулевые колебания эл--магн. поля напряжённости - соответственно волновой вектор и поляризация фотона частоты ) вызывают "дрожание" электрона со ср. значением квадрата амплитуды Здесь т - масса электрона, - постоянная тонкой структуры ( ). Большой логарифмич. множитель (для не слишком тяжёлых элементов параметр ) возникает в результате интегрирования по спектру нулевых колебаний в пределах от характерной энергии атома до энергии покоя электрона тс 2 . "Дрожание" электрона приводит к положит. добавке к потенциалу взаимодействия и, соответственно, к сдвигу атомного уровня вверх на величину -6 Приведённая оценка соответствует осн. вкладу в Л. с, возникающему от собственно энергетич. Фейнмана диаграммы, представленной на риса. Сплошная жирная линия изображает электрон в поле ядра, пунктирная - процесс виртуального испускания и поглощения фотона связанным электроном. Эта диаграмма содержит, в частности, вклад от аномального магнитного момента электрона. Другим радиационным эффектом является поляризация вакуума вокруг точечного заряда ядра из-за виртуального рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар рис. 1, б. Поляризация вакуума искажает кулоновский потенциал, увеличивая эффективный заряд ядра на расстояниях порядка комптоновской длины волны электрона , что приводит к отрицат. поправке к энергии уровня. В водородоподобных атомах радиус боровской орбиты электрона значительно больше расстояния Поэтому указанная поправка оказывается малой по сравнению с вкладом диаграммы 1, атак что результирующий сдвиг уровня положителен. Напротив, в мюонных атомах Л. с. определяется в основном эффектом поляризации электрон-позитронного вакуума, поскольку из-за большой массы мюона радиус его боровской орбиты приблизительно враз меньше r 0 . В результате, напр, в мюонном атоме водорода уровень лежит ниже уровня В низшем порядке пои Л. с. атомных уровней равны Логарифм Бете не зависит от Z и находится численно. Напр, для состояний с n=2 L 20 = - 2,812, L 21 =0,030. Для разности энергий 2S 1/2 - и Р -состояний атома водорода получаем - что соответствует частоте 1050 МГц. и уровней атома водорода масштаб невыдержан Интерференц. эффект описывается ф-цией где v- скорость 2S 1/2 -атомов. Скорость v измерялась п распадной кривой атома в 2Р-состоянии: и выражалась через константу распада , края была рассчитана с точностью 10 -6 . Величина v определялась путём подгонки теоретич. кривой к эксперим. точкам. Подгонка производилась в широком диапазоне изменения фазы косинуса, к-рый совершал пять осцилляции. В этом заключалось принципиальное отличие метода атомного интерферометра от др. методов где обрабатывалась резонансная линия с одним максимумом, позволившее заметно повысить точность определения v (табл. 1). Табл. 1. -Теоретические и экспериментальные значения лэмбовского сдвига в атоме водорода (в МГц) Теория Эксперимент 1057,9100 (100) [2] 1057,8620 (200) [5] 1057,8640 (140) [3] 1057,8450 (90) [6] 1057,8514 (19) [7,8] Интерес к прецизионному расчёту и измерению Л. св атоме водорода связан не только с неустранённым пока расхождением между наиб. точными известными теоретич. значениями а также между теорией и экспериментом, но и с в табл. 2. Табл- Лэмбовский сдвиг в водородоподобных атомах (в МГц) d 1059, 282 (64) О+ 2215, 6 (75)* 10 Не+ 14046,2 (12) С 16 + 31, 19 (22)* 10 Не+ (n = 3) 4183. 17 (54) А+ 38, 0 (6)* 10 6 Li++ 62765 (21) ИЗОТОПИЧЕСКИЙ СДВИГ -сдвиг друг относительно друга уровней энергии и спектральных линий атомов разд. изотопов одного хим. элемента проявляется также во вращат. и колебат. спектрах молекул, содержащих разл. изотопы одного элемента. И. св спектрах изолированного атома может быть обусловлен неск. причинами. Одна из них связана сдвижением ядра относительно центра инерции атома (эффект массы. В системе центра инерции импульс ядра Рравен сумме импульсов электронов S i p i . Учёт движения ядра приводит к появлению в гамильтониане атома члена где т - масса электрона, М - масса ядра. И. с. равен квантовомеханич. среднему от этой величины. Вклад в энергию атома, соответствующий первому члену суммы (*), наз. нормальным или боровским сдвигом, он равен энергия атома в случае неподвижного ядра. Вклад, вносимый в энергию атома вторым членом, наз. специфич. И. сон имеет чисто квантовый характер и возникает вследствие обменного взаимодействия атомных электронов. Сдвиг уровней за счёт эффекта массы наиб. важен для лёгких элементов с массовым числом Ах при А он исчезает. В случае тяжёлых изотопов (а) осн. вклад в И. с. вносит эффект объёма. Внутри ядра конечного размера поле существенно отличается от поля точечного заряда. Поэтому для электрона, проникающего в ядро, наблюдается сдвиг уровня энергии, возрастающий с 32. Типы молекулярных спектров. Приближение Борна-Оппенгеймера Молекулярные спектры оптические спектры испускания и поглощения, а также комбинационного рассеяния света, принадлежащие свободным или слабосвязанным между собой молекулам Молекулярные спектры имеют сложную структуру. Типичные молекулярные спектры полосатые, они наблюдаются в испускании и поглощении ив комбинационном рассеянии в виде совокупности более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областях, распадающихся при достаточной разрешающей силе применяемых спектральных приборов на совокупность тесно расположенных линий. Конкретная структура молекулярны спектров различна для различных молекул и, вообще говоря, усложняется с увеличением числа атомов в молекуле Для весьма сложных молекул видимые и ультрафиолетовые спектры состоят из немногих широких сплошных полос спектры таких молекул сходны между собой. Молекулярные спектры возникают при квантовых переходах между уровнями энергии E‘ и E‘’ молекул согласно соотношению h = E‘ — E‘’, (1) где h — энергия испускаемого поглощаемого фотона частоты (h — Планка постоянная. При комбинационном рассеянии равно разности энергий падающего и рассеянного фотонов. Молекулярные спектры гораздо сложнее линейчатых атомных спектров, что определяется большей сложностью внутренних движений в молекуле, чем в атомах. Наряду сдвижением электронов относительно двух или более ядер в молекулах происходят колебательное движение ядер (вместе с окружающими их внутренними электронами) около положений равновесия и вращательное движение молекулы как целого. Этим трём видам движений — электронному, колебательному и вращательному — соответствуют три типа уровней энергии и три типа спектров. Согласно квантовой механике, энергия всех видов движения в молекуле может принимать лишь определённые значения, те. она квантуется. Полная энергия молекулы приближённо может быть представлена в виде суммы квантованных значений энергий трёх видов её движения E = E эл + кол + E вращ . (2) По порядку величин -3 —10 -5 , следовательно E эл >> кол >> E вращ . (4) Обычно E эл порядка нескольких эв (несколько сотен кдж/ моль ), кол 10 -2 —10 -1 эв, E вращ 10 - 5 —10 -3 эв. В соответствии с (4) система уровней энергии молекулы характеризуется совокупностью далеко отстоящих друг от друга электронных уровней (различные значения E эл прикол E вращ = 0), значительно ближе друг к другу расположенных колебательных уровней (различные значения кол при заданном ли E вращ = 0) и ещё более близко расположенных вращательных уровней (различные значения E вращ при заданных эли кол. На рис. 1 приведена схема уровней двухатомной молекулы для многоатомных молекул система уровней ещё более усложняется. Электронные уровни энергии (E эл вина схеме рис. |