физика лекции по оптике. Курс лекций по физике ч волновая и квантовая оптика Строение атома и ядра Красноярск 2011 Волновая оптика 2
 Скачать 4.1 Mb.
|
11.11. Ядерные колебания в кристалле и когерентность Несмотря на различие физической природы колебательных систем механических, акустических, электромагнитных, оптических, атомных, ядерных и элементарных частиц, их всех объединяет существование резонанса, который наступает, когда собственная частота колебательной системы совпадает с частотой вынужденных колебаний. Рассмотрим резонанс, который возникает при захвате -кванта ядерной системой идеального кристалла. Явление поглощения и испускания возбужденными ядрами электромагнитных волн относится к ядерному гамма–резонансу. Ядра, также как и атомы, имеют дискретный спектр энергетических состояний. При переходе из одного состояния в другое в таких системах энергия освобождается или поглощается квантами. Но эта энергия заключена в малом интервале, который называют шириной ядерного уровня, так что 180 объясняется эффектом Доплера. Следовательно, в силу этого полоса частот, излучаемая (и поглощаемая) колеблющимся ядром, размывается 10 6 раз по сравнению с естественной шириной ядерной энергетической линии W. Другая причина заключается в том, что ядро при излучении кванта испытывает отдачу. Поскольку масса ядра мала, а энергия кванта велика, то эффект отдачи весьма ощутим. Возбужденное ядро после испускания кванта опускается на более низкий энергетический уровень. При этом изменение энергии также превышает естественную ширину полосы излучения 10 Соответственно по тем же причинам для возбуждения ядра необходима такая же энергия. Таким образом, квант, освобожденный при переходе ядра из возбужденного состояния в основное, может быть захвачен другим ядром, если его энергия лежит в пределах ширины ядерного резонанса. Естественная ширина резонанса обусловлена уширением энергетического уровня ядра W в возбужденном состоянии. Из–за тепловых колебаний ядер в кристалле и отдачи при испускании или поглощении кванта естественная полоса частот излучения значительно уширяется и смещается из частоты резонанса на величину ( W 10 6 W). Для такого излучения резонанс возможен лишь за счет перекрытия спектров испускания и поглощения (рис. 11.12). Только некоторая часть квантов может излучаться и поглощаться ядрами кристаллов без отдачи в пределах естественной ширины резонанса W. Открытие эффекта Мессбауэра позволило наблюдать ядерный гамма - резонанс без отдачи. Это обстоятельство лежит в основе того, что в спектре ядерного возбуждения в кристаллах наряду с уширенной энергетической линией существует энергетическая линия естественной ширины (рис. 11.12, линия 1). При рассеянии квантов ядрами в кристалле, в результате когерентности, возникает дифракционная картина, те. кванты, падающие на кристалл, могут переизлучиться лишь в строго определенных направлениях. Наблюдение дифракции квантов указывает на то, что возбуждение, возникающее в ядерной системе при захвате частицы, относится не к отдельному ядру, а ко всей ядерной решетке в целом. Применяя закон о суперпозиции состояний к ядерной кристаллической решетке, можно характеризовать каждое коллективное состояние как суперпозицию многих состояний, в каждом из которых возбуждено одно из ядерно конкретно какое заранее предсказать невозможно. 181 Электромагнитное поле, которое несет в себе квант, объединяет все ядра в единый "коллектив, при этом проявляется строгая согласованность фаз ядерных возбуждений в пространстве и времени. Однако согласование фаз (когерентность) в процессе рассеяния сохранится только в том случае, если не будет потеряна память о фазе поглощенного кванта за время пребывания ядер в возбужденном состоянии. Существование дифракции квантов на ядерной решетке показывает, что это условие полностью выполняется. Когда энергия кванта равна энергии ядерного перехода, то квант захватывается и ядро переходит в возбужденное состояние. Это состояние нестабильно и спустя некоторое время ядро возвращается в нормальное состояние. Например, для ядра 57 Fe время жизни в возбужденном состоянии составляет 1,42 10 7 с. В процессе этого перехода энергия возбуждения или уносится с испущенным квантом или передается одному из электронов атомной оболочки, что приводит к выбиванию электрона из атома (этот процесс называют внутренней электронной конверсией. Если энергия ядерного уровня менее 100 кэВ, то процесс внутренней электронной конверсии энергетически более выгоден, чем излучение кванта. Это зависит от структуры конкретного атома, состояния внутриядерного движения нуклонов (протонов и нейтронов, которое определяет положение и ширину ядерного резонансного уровня, времени жизни ядра в возбужденном состоянии, наличие разных каналов высвобождения энергии и соотношение вероятностей распада по разным каналам. Так как память о фазе при резонансном рассеянии кванта в коллективе ядер не теряется, то когерентные эффекты приводят к возникновению дифрагированной волны. Если выбрать такой угол падения кванта на кристалл, при котором рассеянные в определенном направлении вторичные волны будут находиться водной фазе, то при сложении с первичной волной возникает сложное волновое поле, характеризующееся периодичностью в чередовании зон с большой амплитудой волны и зон, где амплитуда волны равна нулю. Если ядра оказываются в зонах с нулевой амплитудой, то никакого их Рис. 11.12 182 возбуждения не происходит. В этом случае энергия -кванта переносится полем через кристалл без поглощения. Если вне кристалла поток энергии - квантов распределен в пространстве однородно, то внутри кристалла в условиях резонансной дифракции на ядерной решетке он концентрируется между атомными плоскостями (рис. 11.13). Процесс электронной конверсии при этом оказывается полностью закрытыми остается только излучательный канал, который за счет когерентного рассеяния резко усиливается. Время жизни коллективного возбужденного состояния сокращается по сравнением со временем жизни отдельного возбужденного ядра. Соответственно это приводит к увеличению мощности излучения подобно сверхизлучению). Похожее явление встречается при распространении звуковых колебаний. Например, если взять два одинаковых камертона, то длительность их совместного звучания в два раза меньше, чем каждого в отдельности. Этот эффект объясняется взаимным влиянием камертонов друг на друга, осуществляемым через звуковое поле. Вид и структура волнового поля, связанного с гамма-излучением, сильно зависит от пространственной конфигурации, от внутренних магнитных и электрических полей кристалла. В зависимости от ориентации магнитных и электрических полей в местах расположения ядер возникают фазовые соотношения волн рассеянных ядрами в кристалле. На структуру волнового поля влияет также состояние его поляризации. В состоянии поляризации находит свое отражение упорядочение внутрикристаллических полей. Вид поляризации (линейная, круговая, эллиптическая) зависит оттого, как колеблется электрический вектор. Таким образом, при ядерном гамма–резонансе в ядерной кристаллической решетке проявляются физические явления подавление электронной конверсии, усиление излучательного канала, высокая чувствительность к внутренней структуре электрических и магнитных полей в кристалле.Возможность усиления излучательного канала в ядерном резонансном рассеянии и подавлении неупругого конверсионного канала привели к созданию качественно новых источников коротковолнового излучения, которые генерируются в накопительных кольцах – ускорительной Рис. 11.13 183 установке. Двигаясь с ускорением по криволинейной траектории в магнитном поле, электроны излучают электромагнитные волны синхротронное излучение. Спектр этого излучения занимает диапазон от видимого света до области рентгеновских и гамма–лучей. Синхротронное излучение характеризуется высокой спектральной яркостью, особенно в диапазонах ульрафиолетовых и рентгеновских лучей. Если в жесткой части синхротронного излучения содержатся кванты, имеющие энергию, близкую к энергии ядерного перехода, то ядерный резонанс в кристалле можно возбудить. Следовательно, ядра, возбужденные синхротронным излучением, становятся источником высоко монохроматизированного гамма-излучения. Однако при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом происходит рассеяние излучения на электронах, экранирующих ядра. Эффективность фильтрации при рассеянии синхротронного излучения на отдельных атомах, содержащих резонансные ядра, оказывается низкой. Причина заключается в том, что в электронном рассеянии принимает участие все падающее излучение, так как сечение электронного рассеяния не зависит от энергии излучения, а в ядерном рассеянии – лишь малая часть, в пределах ширины резонанса. Поэтому полезный сигнал перекрывается фоном нерезонансного рассеянного излучения. Другой причиной снижающей эффективность фильтрации, о которой говорилось выше, считается существование канала внутренней конверсии. Например, возбужденное ядра атома железа в девяти случаях из десяти передает энергию электрону. В итоге эффективность использования вторичного монохроматического излучения снижается 10 4 раз. Однако существование коллективного ядерного гамма–резонанса, который полностью подавляет процесс внутренней электронной конверсии, позволяет с минимальными потерями отфильтровывать кванты в резонансной полосе энергий. Вследствие когерентного рассеяния на ядерной решетке направленность вылета вторичных квантов возрастает до такой степени, что генерированное монохроматическое излучение может быть использовано полностью. Особенностью ядерного резонансного рассеяния является сильная зависимость фазы волны, рассеянной на ядре, от ориентации магнитного момента ядра по отношению к направлениям падения и рассеяния волн. В электронном канале зависимости от ориентации магнитных моментов электронов нет. В этом случае направление угла дифракции определяются не только взаимным пространственным расположением атомов, но и типом структурного упорядочения магнитных полей в кристалле. Когда конфигурация магнитного поля внутри кристалла отличается от структуры атомной решетки, то возникают направления, по которым 184 синхротронное излучение рассеивается исключительно за счет ядерного резонанса (рис. 11.14). Возникающие чисто ядерные рефлексы призваны сыграть важную роль в фильтрации узких полос спектра синхротронного излучения. Следовательно, коллективный ядерный гамма–резонанс, позволяет повысить монохроматичность жесткого электромагнитного излучения. Появляется возможность получать излучение с разбросом по энергии от единиц до сотен (если его измерять естественной шириной ядерного резонансного уровня. В зависимости от выделенной ширины полосы спектра это может быть либо мессбауэровское, либо сверхмонохромотизированное рентгеновское излучение. Это дает возможность получать значительно более точные данные об энергетических состояниях твердых тел, в частности, о спектрах колебаний кристаллической решетки, электронных спектрах и т. п. Большая длина когерентности излучения от 10 см до метров позволяет построить рентгеновский интерферометр высокого разрешения. С помощью синхротронного мессбауэровского излучения можно исследовать тонкую структуру внутрикристаллических электрических и магнитных полей, изучать поверхностный магнетизм и т. д. История науки показывает, что исследования фундаментальных процессов и явлений в окружающем нас материальном мире приводит к открытию новых источников энергии, созданию новых технологий. Открытие и изучение коллективного ядерного гамма–резонанса наглядно свидельствует об этом. 11.12. Элементарные частицы Первые сведения о том, что в природе существуют элементарные частицы было получены после открытия электрона. Согласно современным представлениям существуют микроскопические порции материи, которые не имеют внутренней структуры, нов различных комбинациях друг с другом создают все многообразие свойств живой и неживой природы. Почему существуют элементарные частицы именно в том виде, какие они есть, пока не доказано Рис. 11.14 185 В настоящее время известно более 350 элементарных частицу большинства из которых, кроме фотона и лептонов, обнаружена внутренняя структура. Анализ свойств частиц показал, что существует четыре типа фундаментальных взаимодействий сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное Все они резко отличаются по интенсивности взаимодействий и радиусом действия (табл. 11.1, где интенсивность сильного взаимодействия принята за единицу. В сильных взаимодействиях участвуют многие частицы. Например, нуклоны, пионы, каоны, гипероны и др. – называют адронами. Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля и охватывает процессы, протекающие в структурах с пространственными масштабами от 10 14 дом. К ним относятся электрические и магнитные явления, оптические, тепловые, механические и химические. Слабые взаимодействия малы по интенсивности. Например, поток нейтрино, которые участвуют только в слабых взаимодействиях, ослабляется незначительно, пронизывая толщи звезд. Однако интенсивность слабых взаимодействий быстро возрастает с уменьшением расстояния между частицами. На расстояниях 10 21 м может сравняться с интенсивностью сильного взаимодействия. Слабые взаимодействия, несмотря на малую интенсивность, играли и играют важную роль, например, для осуществления протекания термоядерной реакции в процессе эволюции звезд при превращении водорода в гелий. При этом возможна реакция, вызываемая только слабыми взаимодействиями e 0 1 2 1 1 1 1 1 e H p p . (11.32) В слабых взаимодействиях участвуют все частицы, кроме фотона. К настоящему времени, в физике элементарных частиц, применяется теория (Вайнберг, Салам, Глэшоу), в которой электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в единое электрослабое взаимодействие. Гравитационные взаимодействия являются самыми слабыми. В этом взаимодействии участвуют все без исключения частицы, так как Таблица 11.1 Взаимодействие Интенсивность Радиус действия сил, м Сильное Электромагнитное Слабое Гравитационное Волновая оптика 186 эти силы универсальны. Силы гравитации имеют неограниченный радиус действия и всегда являются только силами притяжения. Поэтому гравитационные силы возрастают с увеличением масс тел и особенно значительны для тел космических масштабов (планеты, звезды, галактики и т. д. Для элементарных частиц гравитация мала, если расстояние между ними не сократится дом. Общим свойством всех фундаментальных взаимодействий является их способность вызывать распады частиц. Среди известных частиц особенно стабильны протон, фотон, электрон, позитрон, антипротон, электронное нейтрино,-мюонное нейтрино и тау–нейтрино и их античастицы Остальные частицы либо нестабильны, либо являются резонансами. В зависимости от принадлежности элементарных частиц к фермионам или бозонам а также в зависимости от способности их участвовать в фундаментальных взаимодействиях они условно подразделяются на четыре большие группы. Первая группа состоит только из одной частицы - фотона, которая является бозоном (спин S = 1) и совсем не участвует в сильных взаимодействиях. Во вторую группу входят лептоны, которые также не участвуют в сильных взаимодействиях. Все они являются фермионами с полуцелым спином. Известно 12 лептонов электрон, мюон, – лептон, нейтрино – электронное (е, мюонное ( ,), нейтрино ( ) и их античастицы. Третью группу составляют мезоны Они являются бозонами и участвуют в сильных взаимодействиях. Четвертую группу образуют барионы, которые участвуют в сильных взаимодействиях и являются фермионами. Мезоны и барионы называют адронами (табл. 11.2). В физике элементарных частиц законы сохранения играют особую роль. Кроме известных из классической физики законов сохранения, для элементарных частиц существуют еще законы сохранения, кроме электрического закона сохранения заряда Q, законов сохранения других зарядов, не электрического происхождения, а именно барионный В, лептонный L, второй лептонный L * и третий лептонный L ** . Таблица 11.2 Анти- Изотопи- ческий 187 Название Частица частица Масса, МэВ Спин спин, странность, шарм Т, S, C Время жизни, с 1 2 3 4 5 6 7 Фотон 0 1 Стаб. Лептоны (В = 0, L = 1, L * = 0, L ** = 0) Электрон, позитрон Нейтрино электронное ее е <3,510 -5 1 2 Стаб. Стаб. Лептоны (В = 0, L = 0, L * = 0, L ** = 0) Мюон Нейтрино мюонное - + 106 0,51 1 2 10 6 Стаб. Лептоны (В = 0, L = 0, L * = 0, L ** = 1) лептон нейтрино + 1807 <250 1 2 10 Мезоны (В = 0, L = 0, L * = 0, L ** = 0) Заряженный пион Нейтральный пион Заряженный каон Нейтральный каон мезон мезон мезон + 0 К + К 0 D + D 0 К K 0 D D 0 140 135 494 498 549 1868 1863 0 1, 0, 0 1, 0, 0 1 2 , 1, 0 1 2 , 1, 0 0, 0,0 1 2 , 0, 1 1 2 , 0, 1 10 8 10 16 10 8 10 9 10 19 Продолжение табл. 11.2 Барионы (В = 1, L = 0, L * = 0, L ** = 0) 188 Протон Нейтрон Лямбда-гиперон Сигма-плюс- гиперон Сигма нуль гиперон Сигма минус гиперон Кси-нуль-гиперон Кси-минус- гиперон Омега-минус- гиперон р n + 0 - 0 p n 0 0 938,2 939,6 1116 1189 1192 1197 1315 1321 1672 1 2 3 2 1 2 , 0, 0 1 2 , 0, 0 0, 1, 0 1, 1, 0 1, 1,0 1, 1,0 1 2 , 2, 0 1 2 , 2, 0 0, 3, 0 Стаб. 10 3 10 10 10 10 10 14 10 10 10 10 10 10 10 Например, каждый нуклон имеет барионный заряд В = 1. Электрон имеет лептонный заряда у протона и нейтрона L = 0. Существуют еще некоторые приближенные законы сохранения. Например, закон сохранения странности S и шарма (очарования) С, которые выполняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушаются слабыми взаимодействиями. Частицы, у которых S 0, называют странными, а частицы с С 0 очарованными. Частицы си С = 0 являются обычными. Все адроны имеют внутреннюю структуру. Поиски первичных элементов адронной материи привели к созданию кварковой модели адронов. В квантовой теории поля предполагается, что 4 мерное пространство- время остается непрерывными плоским (неискривленным) вплоть до самых малых расстояний. Однако это в действительности не совсем так по нескольким причинам Истинно элементарные частицы должны быть материальными объетами конечной протяженности. К истинно элементарным частицам относят лептоны, кварки (спин s = 189 1 2 ), глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны (спин s = 1), гравитон спин s = 2). Сколько всего существует в природе элементарных частиц, пока науке неизвестно. 2. Свойства пространства-времени в малых объемах, определяемых фундаментальной длиной 0 3 2 h c 10 35 м, должны резко отличаться от макроскопических свойств. 3. На расстояниях 10 35 м сказываются изменения геометрических свойств пространства-времени за счет гравитации. Если плотность вещества истинно элементарных частиц достаточно велика, то гравитационное притяжение может обеспечить устойчивое существование этих материальных объектов размером 10 35 м. Их гравитационные свойства могут проявиться на малых расстояниях, в области, где существенно изменяется пространство-время. В настоящее время теория приближается к новому качественному рубежу, связанному с возникновением представлений об уровне элементарности более высоком, чем кварк лептонный уровень, те. возможно существование частиц более элементарных, чем кварки и лептоны. |