М. Г. Валишев а. А. Повзнер
 Скачать 10.33 Mb.
|
|
лантаниды (по первому элементу этого ряда, а элементы 5f ряда называют астиниды. Пример заполнения 3d оболочки приведен в табл. 10.2. Как следует из таблицы, не у всех d элементов внешняя 3s оболочка будет заполнена полностью. Так, для хрома и меди энергетически более выгодным будет электронная конфигурация, для которой в 3s оболочке будет находиться один электрон. Для атома меди это связано стем, что в этом случае 3d оболочка будет полностью заполненной. Для элементов 4f ряда заполнение внутренней f оболочки происходит в условиях, когда уже полностью заполнены три внешние 5p , 5s и 6s оболочки. Поэтому заполнение f оболочки мало сказывается на свойствах этих элементов, они близки по своим химическим свойствам. Это также справедливо и для актинидов. В настоящее время проводятся исследования, направленные на получение новых элементов Периодической системы Д. И. Менделеева. За последнее время открыты элементы с номерами от 104 до 109. Трудности исследования связаны стем, что они получаются в очень малом количестве при столкновении частиц высокой энергии в ускорителях. 10.2.4. ОПЫТ ШТЕРНА И ГЕРЛАХА. ЭФФЕКТ ЗЕЕМАНА Немецкие ученые О. Штерн и В. Герлах в 1922 г. провели ряд опытов по измерению магнитных моментов различных атомов. Полученные при этом выводы оказали существенное влияние на развитие квантовой физики того времени. Схема одного из них приведена на риса. Полученный за счет 11 2 73 8 6 9 616 6 4461126 4246 7123456 71 2 3 8 6 616 6 4467126 5246 123456 1 2 3 8 6 616 !6 446126 6246 123456 1 2 "3 8 6 # 616 $6 446 126 7246 7823456 78 2 3 8 6 616 %6 4467826 5246 823456 8 2 3 8 6 # 616 $6 446826 6246 1 ЧАСТЬ 10. АТОМ ВОДОРОДА. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ 369 испарения с поверхности нагретого металла поток атомов формировался в вакууме в узкий пучок и попадал в неоднородное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого был направлен по оси Oz (риса. Резко неоднородное поле, нарастающее вдоль оси Oz, создавалось с помощью специальной формы полюсов электромагнита (рис. 10.11в). Следует отметить, что на атом в неоднородном магнитном поле, как и на контур стоком (см. п. 4.1.8), будет действовать сила, вызывающая их поступательное движение по оси Oz. Проекция этой силы на направление магнитного поля определяется следующей формулой 1 2 3 2 4 4 2 1 2 2 12 12 3 4 1 234 1 5 1 аналогичной формуле (Движение вдоль оси Oz зависит от знака проекции магнитного момента, AT атома на направление магнитного поля. Отметим, что на атомы сила Лоренца не действует, так каких электрический заряд равен нулю. Из результатов опытов были сделаны следующие выводы. Пространственное квантование проекций магнитных моментов атомов. Предположим, что возможны любые ориентации векторов магнитных моментов атомов на направление магнитного поля. Тогда атомы пучка будут испытывать различные отклонения относительно первоначального направления движения в магнитном поле, и на экране будет наблюдаться сплошной след (полоса, оставленный атомами (рис. б. Причем на границу этой полосы попадают атомы, для которых векторы магнитных моментов направлены либо вдоль, либо против направления магнитного поля. Однако опыты, проведенные для пучков из различных атомов, показали, что на экране наблюдаются четко определенные отклонения атомов в магнитном поле, и атомы попадают в строго определенные места на экране (рис. б, где приведены два следа, оставленные на экране пучком атомов серебра, и шесть следов, оставленные атомами марганца. Это доказывает тот факт, что проекции векторов магнитного момента атомов на направление внешнего магнитного поля квантуются, то есть принимают дискретный набор значений. Рис. 10.11 а б в МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ. Магнитные моменты атомов. Их можно было оценить по результатам опытов следующим образом. Во первых, из параметров установки определяют неоднородность ( ¶B z / ¶z) магнитного поля вдоль оси Oz. Во вторых, измеряя расстояния следов атомов на экране от оси Ox, можно оценить из геометрических размеров установки проекцию F Z силы, действующей на атом в магнитном поле. Это позволяет в соответствии с формулой (10.28) найти проекцию магнитного момента атома на ось Oz. На основании правил квантования проекций (формула (10.19)) можно определить углы a и тем самым найти магнитный момент атома (p m ,AT = p mZ ,AT /cos a). 3. Собственный магнитный момент электрона Вовремя постановки опытов считалось, что у электрона в атоме существуют только орбитальные механический и магнитный моменты. Из формул (10.19) и (10.20) следует, что в этом случае должно наблюдаться нечетное число следов (магнитное орбитальное квантовое число m принимает (2l + 1) значение, один в центре экрана и четное число симметрично расположенных относительно центра экрана (относительно оси Ox) следов. Известно, что для электронов заполненных электронных оболочек суммарный орбитальный магнитный момент будет равен нулю. Поэтому, магнитный момент атома будет определяться только магнитными моментами электронов на внешней оболочке. Если внешней является s оболочка, то тогда орбитальный магнитный момент электронов и соответственно магнитный момент атома будет равен нулю 1 2 3 Б 1 2 3 12 2 3 4 5 2 2 1 1 и такие атомы должны будут попадать в центр экрана, не испытывая отклонения в магнитном поле. Это и наблюдается для атомов магния (электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 , рис. 10.11б). Однако, вопреки предсказанию теории (результат опыта должен быть таким же, как и для магния, для атомов серебра, находящихся в основном состоянии (в этом случае на внешней электронной 5s оболочке находится один электрон, на экране наблюдались два четких следа, расположенные симметрично относительно центра экрана, а в центре экрана следов атомов обнаружено не было (см. рис. б. Такой результат нельзя объяснить, оставаясь в рамках теории, предполагавшей у электрона наличие только орбитальных моментов. Существование магнитного момента у атомов серебра может быть связано только стем, что электрон обладает собственным магнитным моментом, который и приводит к возникновению двух проекций на направление внешнего магнитного поля. Опыты Штерна и Герлаха, а также и ряд других опытов (например магнитомеханические опыты Эйнштейна и де Хааса по определению гиромагнитного отношения для металлов, привели Уленбека и Гаудсмита (1925) к гипотезе существования собственного механического момента — спина у электрона. Эффект Зеемана Эффект Зеемана (1896) заключается в расщеплении уровней энергии и спектральных линий атома при помещении его в магнит ЧАСТЬ 10. АТОМ ВОДОРОДА. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ 371 ное поле. Это связано стем, что проекции магнитного момента атома на направление внешнего магнитного поля квантуются, то есть принимают дискретный набор значений. При объяснении данного эффекта необходимо определить магнитный момент атома. Отметим, что для большинства атомов полный магнитный момент атома 12 1 1 2 получается следующим образом. Сначала складывают все орбитальные магнитные моменты электронов в результирующий орбитальный магнитный момент 1 1 2 и все спиновые магнитные моменты электронов в результирующий спиновый магнитный момент 1 1 1 2 Затем эти результирующие моменты складывают в полный магнитный момент атома 1 1 1 2 определяемый новым квантовым числом J, которому соответствует магнитное квантовое число, принимающие (2J + 1) значений. Каждой проекции магнитного момента 1 12 1 1 2 атома соответствует своя дополнительная энергия DW = –p m ,AT B Z cos a, которая определяется магнитным квантовым числом m J . Поэтому в магнитном поле происходит дополнительное снятие вырождения поэтому магнитному квантовому числу m J . Величина добавочной энергии будет малой, что приводит к расщеплению каждой спектральной линии на несколько близко расположенных линий. 10.2.5. ЛАЗЕРЫ Под лазером (оптический квантовый генератор) понимают устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе (для ультракоротких волн такой генератор называют мазером). Слово лазер является аббревиатурой (Light Emplification by Stimulated Emision of Radiation — усиление света вынужденным излучением. Существующие лазеры охватывают широкий диапазон длин волн от ультрафиолетового излучения до субмиллиметрового излучения. Когерентность и направленность — основные характеристики излучения лазера, вынужденное излучение и обратная связь — главные процессы, приводящие к генерации. Как отмечалось ранее (см. п. 7.2.5), в лазерах используется вынужденное излучение атомов и поэтому излучение лазера представляет собой поток тождественных фотонов, что и определяет свойства лазерного излучения. Рассмотрим подробнее работу лазера. Каждый лазер содержит три основных компонента активную среду систему накачки, с помощью которой создается активная среда оптический резонатор. Активная среда — это среда, в которой интенсивность проходящего света усиливается. В обычной среде такое явление невозможно, так как количество атомов, находящихся в основном состоянии, превосходит количество атомов в возбужденном состоянии. Поэтому число фотонов, поглощенных и испущенных за счет самопроизвольных процессов, будет преобладать над числом фотонов, испущенных при вынужденных переходах МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Ситуация изменяется в случае инверсной заселенности уровней энергии атомов. Тогда число атомов на верхнем уровне будет больше, чем на нижнем. Такая среда и называется активной средой. Система накачки Создание активной среды возможно с помощью системы накачки. Она может быть импульсной (для лазера на рубине накачка происходит за счет мощной импульсной лампы, она создает широкий спектр излучения) или непрерывной — для гелий неонового лазера накачка производится непрерывно за счет электрического разряда, применяются также газодинамические процессы, возбуждение электронным пучком и т. д. Рассмотрим процесс создания активной среды в лазере на рубине (рубин представляет собой вещество в виде кристалла корунда Al 2 O 3 с примесью атомов хрома. Импульсная накачка происходит за счет мощной газоразрядной лампы, излучающей в широком диапазоне частот. Ее излучение переводит атомы хрома в возбужденное состояние, представляющее собой широкую полосу поглощения (риса. С этой полосы идут переходы снова на основной уровень 1 и безызлучательные переходы на уровень 3. Этот уровень является метастабильным, то есть время жизни атома на нем существенно превышает обычное время жизни атома в возбужденном состоянии (порядка враз. Это приводит к накоплению атомов на этом уровне и созданию инверсной населенности уровней 1 и 3. Излучение лазера соответствует переходам атомов с уровня 3 на уровень Другой способ — способ непрерывной накачки за счет электрического разряда осуществляется в четырехуровневой системе гелий неонового лазера (рис. 10.12б). Отметим, что под электрическим разрядом в газах понимают протекание электрического тока в газах, сопровождающееся изменением состояния газа, — газ ионизируется, становится способным проводить электрический ток. Возникающие при этом электроны, ускоренные электрическим полем, способны при столкновениях передавать энергию атомами приводить к их возбуждению. В электрическом разряде часть атомов неона Ne переходит на возбужденные уровни энергии 3 и 2 атома неона. Затем они возвращаются, при этом инверсной населенности в верхних уровнях энергии не возникает. Наличие атомов гелия He кардинально меняет ситуацию. Это связано стем, что первый возбужденный уровень атома гелия He (уровень 4, рис. 10.12б) совпадает по энергии с третьим уровнем атома неона. Поэтому за счет столк Рис. 10.12 а б в ЧАСТЬ 10. АТОМ ВОДОРОДА. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ 373 новений с возбужденными атомами гелия количество атомов неона на уровне возрастает — при таких столкновениях энергия атомов гелия передается атомам неона. При этом достигается инверсная населенность уровней и 3 (число атомов неона на уровне 3 будет превышает число атомов неона на уровне 2). Этот переходи используется для лазерного излучения. Оптический резонатор Фотоны, полученные за счет вынужденных переходов, могут иметь различные направления движения, в связи с чем неуда ется получить определенную направленность излучения в пространстве. Для того чтобы создать условия для усиления света, необходимо выделить определенное направление распространения излучения и заставить излучение проходить активную среду в этом направлении большое количество раз. Только тогда можно сформировать излучение лазера. Все это можно сделать с помощью оптического резонатора — устройства, в котором возбуждаются стоячие или бегущие электромагнитные волны оптического диапазона. Оптический резонатор, например, может представлять собой два плоских параллельных зеркала, одно из которых полностью отражает падающее на него излучение, а другое является полупрозрачным (рис. 10.12в). Фотоны, направление движения которых не совпадает с осью резонатора (она перпендикулярна плоскости зеркал, рис. в, выходят через боковую поверхность резонатора и вклада в излучение лазера не дают. Напротив, фотоны, направление распространения которых совпадает с направлением оси за счет многократного отражения от зеркал, проходят активную среду многократно, увеличивая интенсивность лазерного излучения. При достижении определенной интенсивности излучение выходит из резонатора. Применение лазеров. Сих открытием в науке появились новые разделы, такие как нелинейная оптика, голография, лазерная химия, лазерное разделение изотопов, лазерная спектроскопия, лазерный термоядерный синтез, лазерные технологии и т. д. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов и других точных физических приборов. Лазеры с перестраиваемой частотой существенно повысили разрешающую способность и чувствительность спектроскопических методов вплоть до наблюдения спектров отдельных атомов. Высокая концентрация энергии позволяет нагреть малые количества вещества до высоких температур и решить проблему управляемого термоядерного синтеза. Газовые лазеры используются для сварки, резки и плавления металлов МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Ч АС Т Ь ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В изучении физики ядра и элементарных частиц выделяют два этапа. На первом проводились интенсивные исследования строения и свойств атомных ядер (1932–1954). Второй этап (с 1955 г., начало исследований структуры нуклона) характеризуется масштабными исследованиями в физике элементарных частиц, развитием теорий, непосредственно затрагивающих строение материи и развитие Вселенной. За этот период (он продолжается до сих пор) было открыто много новых частиц, подтвердивших кварковую модель строения адронов и единую теорию электрослабо го взаимдействия. Экспериментально было доказано, что в слабых взаимодействиях нарушается ряд законов (несохранение четности, комбинированной четности и т. д, созданы теории, позволяющие объяснить поведение Вселенной на ранних стадиях ее развития. Вот некоторые факты из большого числа открытий, сделанных в физике ядра и элементарных частиц за это время. В 1932 г. Дж. Чедвиг открыл нейтрон, Г. Юри — дейтерий, К. Андерсон позитрон. Также в этом году были осуществлены первые ядерные реакции под действием нейтронов (Н. Фезер, Л. Мейтнер, У. Харкинс), а Д. Д. Иваненко выдвинул гипотезу о нейтронно протонном строении ядер. Эта модель устранила трудности старой протонно электронной модели ядра и явилась основой современного понимания строения атомных ядер. В 1933 г. Э. Ферми разработал теорию бета распада, в которой ввел новый тип взаимодействия слабое взаимодействие, а П. Дирак выдвинул гипотезу существования антивещества. В 1934 г. Фи И. Жолио Кюри открыли искусственную радиоактивность. В 1935 г. Юка ва развил полевую теорию парных ядерных сил, постулировал существование мезона — частицы, осуществляющей взаимодействие между нуклонами. Предсказанные Юкавой мезоны (пи мезоны) были открыты спустя 12 лет. В 1936 г. была создана капельная модель ядра (Н. Бор, Я. И. Френкель), открыто явление деления ядра урана (О. Ганн, Ф. Штрассман). В 1949 г. работы ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 375 М. Гепперт Майер привели к созданию оболочечной модели ядра. В 1956 г. Т. Ли и Ч. Янг высказали предположение о несохранении четности в слабых взаимодействиях, что было экспериментально подтверждено год спустя. В 1957 г. Ю. Швингер выдвинул идею объединения слабых и электромагнитных взаимодействий (в 1958 г. ее также предложили Ш. Глешоу, А. Салам и Дж. Уорд). В 1964 г. экспериментально обнаружено несохранение комбинированной четности (нарушение СР инвариантности) в распаде 1 2 3 4 1 4 1 0 2 (Дж. Кристенсон, Дж. Кронин, В. Фитч, Р. Тарлей). В 1983 г. К. Руббиа открыл промежуточный W бозон. |