Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В атомной физике , сверхтонкая структура определяются малыми сдвигами и расщеплениями [ разъяснение необходимости ] в энергетических уровнях из атомов , молекул и ионов , из - за взаимодействие между ядром и электронными облаками.

В атомах сверхтонкая структура возникает из-за энергии ядерного магнитного дипольного момента, взаимодействующего с магнитным полем, создаваемого электронами, и энергии ядерного электрического квадрупольного момента в градиенте электрического поля из-за распределения заряда внутри атома. В молекулярной сверхтонкой структуре, как правило, преобладают эти два эффекта, но они также включают энергию, связанную с взаимодействием между магнитными моментами, связанными с различными магнитными ядрами в молекуле, а также между ядерными магнитными моментами и магнитным полем, создаваемым вращением молекула.

Сверхтонкая структура контрастирует с тонкой структурой , которая возникает в результате взаимодействия между магнитными моментами, связанными со спином электрона, и орбитальным угловым моментом электронов . Сверхтонкая структура со сдвигом энергии, обычно на порядки меньшим, чем сдвиг тонкой структуры, возникает в результате взаимодействий ядра (или ядер в молекулах) с внутренними электрическими и магнитными полями.

Схематическое изображение тонкой и сверхтонкой структуры нейтрального атома водорода

История [ править ]

Оптическая сверхтонкая структура была обнаружена в 1881 году Альбертом Абрахамом Майкельсоном . [1] Однако это можно было объяснить только в терминах квантовой механики, когда Вольфганг Паули предположил существование малого ядерного магнитного момента в 1924 году.

В 1935 г. Х. Шулер и Теодор Шмидт предложили существование ядерного квадрупольного момента для объяснения аномалий в сверхтонкой структуре.

Теория [ править ]

Теория сверхтонкой структуры исходит непосредственно из электромагнетизма , состоящего из взаимодействия ядерных мультипольных моментов (за исключением электрического монополя) с внутренне генерируемыми полями. Теория сначала выводится для атомного случая, но может быть применена к каждому ядру в молекуле. После этого обсуждаются дополнительные эффекты, уникальные для молекулярного случая.

Атомная сверхтонкая структура [ править ]

Магнитный диполь [ править ]

Доминирующим членом в сверхтонком гамильтониане обычно является член магнитного диполя. Атомные ядра с ненулевым ядерным спином обладают магнитным дипольным моментом, определяемым как:

где это г -коэффициент и является ядерным магнетоном .

Есть энергия, связанная с магнитным дипольным моментом в присутствии магнитного поля. Для ядерного магнитного дипольного момента μ I , помещенного в магнитное поле B , соответствующий член в гамильтониане имеет вид: [2]

При отсутствии приложенного извне поля, магнитное поле , испытываемое ядра , что связано с орбитали ( ) и спина ( ы ) углового момента электронов:

Орбитальный угловой момент электрона возникает в результате движения электрона вокруг некоторой фиксированной внешней точки, которую мы примем за местоположение ядра. Магнитное поле в ядре из-за движения одиночного электрона с зарядом - e в положении r относительно ядра определяется выражением:

где - r дает положение ядра относительно электрона. В терминах магнетона Бора это дает:

Признавая, что m e v - это импульс электрона, p , и что r × p / ħ - это орбитальный угловой момент в единицах ħ , , мы можем написать:

Для многоэлектронного атома это выражение обычно записывается через полный орбитальный угловой момент, суммируя по электронам и используя оператор проекции,, где . Для состояний с четко определенной проекцией орбитального углового момента L z мы можем записать :

Спиновый угловой момент электрона - это принципиально иное свойство, которое присуще частице и поэтому не зависит от движения электрона. Тем не менее, это угловой момент, и любой угловой момент, связанный с заряженной частицей, приводит к магнитному дипольному моменту, который является источником магнитного поля. Электрон со спиновым угловым моментом s имеет магнитный момент μ s , определяемый по формуле:

где g s - g -фактор спина электрона, а отрицательный знак означает, что электрон заряжен отрицательно (учтите, что отрицательно и положительно заряженные частицы с одинаковой массой, движущиеся по эквивалентным путям, будут иметь одинаковый угловой момент, но в результате будут возникать токи в обратном направлении).

Магнитное поле дипольного момента, μ s , определяется по формуле: [3]

Таким образом, полный магнитный дипольный вклад в сверхтонкий гамильтониан определяется выражением:

Первый член дает энергию ядерного диполя в поле, обусловленном электронным орбитальным угловым моментом. Второй член дает энергию взаимодействия ядерного диполя на "конечном расстоянии" с полем, обусловленным спиновыми магнитными моментами электрона. Последний член, часто известный как контактный член Ферми, относится к прямому взаимодействию ядерного диполя со спиновыми диполями и отличен от нуля только для состояний с конечной спиновой плотностью электронов в положении ядра (с неспаренными электронами в s -подоболочки). Утверждалось, что можно получить другое выражение, если учесть детальное распределение ядерного магнитного момента. [4]

Для состояний это можно выразить в виде

куда:

[2]

Если сверхтонкая структура мала по сравнению со структурой тонкой (иногда называемой И.Я. -coupling по аналогии с Л.С. -coupling ), я и J является хорошими квантовыми числами и матричные элементы могут быть аппроксимирована , как диагональ в I и J . В этом случае (обычно это верно для легких элементов) мы можем спроецировать N на J (где J = L + S - полный электронный угловой момент), и мы имеем: [5]

Обычно это записывается как

с постоянной сверхтонкой структуры, которая определяется экспериментально. Поскольку I · J = ½ { F · F - I · I - J · J } (где F = I + J - полный угловой момент), это дает энергию:

В этом случае сверхтонкое взаимодействие удовлетворяет правилу интервалов Ланде .

Электрический квадруполь [ править ]

Атомные ядра со спином обладают электрическим квадрупольным моментом . [6] В общем случае это представлено в ранге -2 тензора , с компонентами определяется по формуле: [3]

где i и j - тензорные индексы от 1 до 3, x i и x j - пространственные переменные x , y и z, зависящие от значений i и j соответственно, δ ij - символ Кронекера, а ρ ( r ) - плотность заряда. Будучи трехмерным тензором ранга 2, квадрупольный момент имеет 3 2 = 9 компонент. Из определения компонент ясно, что тензор квадруполя является симметричной матрицей ( Qij = Q ji ), который также не имеет следов (Σ i Q ii = 0), дающий только пять компонентов в неприводимом представлении . Выражаясь в обозначениях неприводимых сферических тензоров, имеем: [3]

Энергия , связанная с электрическим квадрупольным моментом в электрическом поле зависит не от напряженности поля, но на градиенте электрического поля, меченное смешение , другой ранг-2 тензор задается внешним продуктом из - дель - оператора с вектором электрического поля:

с компонентами, указанными:

Опять же ясно, что это симметричная матрица, и, поскольку источником электрического поля в ядре является распределение заряда, полностью находящееся вне ядра, это можно выразить как 5-компонентный сферический тензор , с: [7]

куда:

Квадрупольный член в гамильтониане, таким образом, определяется выражением:

Типичное атомное ядро ​​близко приближается к цилиндрической симметрии, и поэтому все недиагональные элементы близки к нулю. По этой причине ядерный электрический квадрупольный момент часто обозначается Q zz . [6]

Молекулярная сверхтонкая структура [ править ]

Молекулярный сверхтонкий гамильтониан включает те члены, которые уже получены для атомного случая с магнитным дипольным членом для каждого ядра с и электрическим квадрупольным членом для каждого ядра с . Термины магнитного диполя были впервые получены для двухатомных молекул Фрошем и Фоли [8], и полученные сверхтонкие параметры часто называют параметрами Фроша и Фоли.

В дополнение к эффектам, описанным выше, существует ряд эффектов, специфичных для молекулярного случая. [9]

Прямой ядерный спин-спин [ править ]

Каждое ядро ​​с имеет ненулевой магнитный момент, который одновременно является источником магнитного поля и имеет связанную энергию из-за наличия комбинированного поля всех других ядерных магнитных моментов. Суммирование по каждому магнитному моменту усеяны полями из - за каждый другой магнитный момент дает прямое слагаемое ядерного спин-спиновому в сверхтонком гамильтониане, . [10]

где α и α ' - индексы, представляющие ядро, вносящее вклад в энергию, и ядро, которое является источником поля соответственно. Подставляя выражения для дипольного момента через ядерный угловой момент и магнитное поле диполя, приведенные выше, мы имеем

Ядерный спин – вращение [ править ]

Ядерные магнитные моменты в молекуле существуют в магнитном поле благодаря угловому моменту T ( R - вектор межъядерного смещения), связанному с объемным вращением молекулы, [10] таким образом

Сверхтонкая структура малых молекул [ править ]

Типичный простой пример сверхтонкой структуры из-за взаимодействий, обсужденных выше, - это вращательные переходы цианида водорода ( 1 H 12 C 14 N) в его основном колебательном состоянии . Здесь, электрическое квадрупольное взаимодействие обусловлено 14 N-ядро, сверхтонкий ядерный спин-спиновое расщепление от магнитной связи между азотом, 14 Н ( я Н = 1), и водород, 1 Н ( я Н = 12 ), и спин-вращательное взаимодействие водорода за счет 1H-ядро. Эти вносящие вклад в сверхтонкую структуру молекулы взаимодействия перечислены здесь в порядке убывания влияния. Субдоплеровские методы использовались, чтобы различить сверхтонкую структуру вращательных переходов HCN. [11]

В дипольном правиле отбора для структуры HCN сверхтонких переходов , где J представляет собой вращательное квантовое число и F является общим вращательным квантовым числом включительно (ядерного спина ), соответственно. Наинизший переход ( ) распадается на сверхтонкий триплет. Используя правила отбора, сверхтонкая картина переходов и переходов высших диполей имеет форму сверхтонкого секстета. Однако одна из этих компонент ( ) несет только 0,6% интенсивности вращательного перехода в случае . Этот вклад уменьшается с увеличением J. Таким образом, снизу вверх сверхтонкая структура состоит из трех очень близко расположенных более сильных сверхтонких компонентов (, ) вместе с двумя широко разнесенными компонентами; один со стороны низких частот и один со стороны высоких частот относительно центрального сверхтонкого триплета. Каждый из этих выбросов несет ~ ( J - верхнее вращательное квантовое число разрешенного дипольного перехода) интенсивность всего перехода. Для последовательно более высоких переходов J наблюдаются небольшие, но значительные изменения относительной интенсивности и положения каждого отдельного сверхтонкого компонента. [12]

Измерения [ править ]

Сверхтонкие взаимодействия может быть измерена, среди прочего, в атомных и молекулярных спектров и электронного парамагнитного резонанса спектры свободных радикалов и переходных металлов ионами.

Приложения [ править ]

Астрофизика [ править ]

Сверхтонкий переход, изображенный на мемориальной доске Pioneer

Поскольку сверхтонкое расщепление очень мало, частоты перехода обычно не находятся в оптическом диапазоне, а находятся в диапазоне радио- или микроволновых (также называемых субмиллиметровыми) частотами.

Сверхтонкая структура дает линию 21 см, наблюдаемую в областях HI в межзвездной среде .

Карл Саган и Фрэнк Дрейк считали сверхтонкий переход водорода достаточно универсальным явлением, чтобы его можно было использовать в качестве базовой единицы времени и длины на мемориальной доске Pioneer, а затем и в Voyager Golden Record .

В субмиллиметровом астрономии , гетеродинный приемники широко используются для обнаружения электромагнитных сигналов от небесных объектов , таких как звездообразования ядра или молодых звездных объектов . Расстояния между соседними компонентами в сверхтонком спектре наблюдаемого вращательного перехода обычно достаточно малы, чтобы соответствовать полосе ПЧ приемника . Поскольку оптическая толщина изменяется в зависимости от частоты, отношения сил между сверхтонкими компонентами отличаются от отношений их собственных (или оптически тонких ) интенсивностей (это так называемые сверхтонкие аномалии , часто наблюдаемые во вращательных переходах HCN [12].). Таким образом, возможно более точное определение оптической глубины. Отсюда мы можем получить физические параметры объекта. [13]

Ядерная спектроскопия [ править ]

В методах ядерной спектроскопии ядро используется для исследования локальной структуры материалов. В основе этих методов лежит сверхтонкое взаимодействие с окружающими атомами и ионами. Важными методами являются ядерный магнитный резонанс , мессбауэровская спектроскопия и возмущенная угловая корреляция .

Ядерная технология [ править ]

В процессе лазерного разделения изотопов атомарного пара (AVLIS) используется сверхтонкое расщепление между оптическими переходами в уране-235 и уране-238 для селективной фотоионизации только атомов урана-235 и последующего отделения ионизированных частиц от неионизированных. Точно настроенные лазеры на красителях используются в качестве источников излучения необходимой точной длины волны.

Использование при определении секунды и счетчика системы СИ [ править ]

Переход сверхтонкой структуры можно использовать для создания режекторного микроволнового фильтра с очень высокой стабильностью, воспроизводимостью и добротностью , который, таким образом, может быть использован в качестве основы для очень точных атомных часов . Термин « частота перехода» означает частоту излучения, соответствующую переходу между двумя сверхтонкими уровнями атома, и равна f = Δ E / h , где Δ E - разность энергий между уровнями, а h - постоянная Планка . Обычно частота перехода того или иного изотопа цезия илиВ основе этих часов лежат атомы рубидия .

Благодаря точности атомных часов, основанных на переходах сверхтонкой структуры, они теперь используются в качестве основы для определения секунды. Одна секунда теперь определена как точно9 192 631 770 циклов частоты переходов сверхтонкой структуры атомов цезия-133.

21 октября 1983 года 17-я сессия CGPM определила метр как длину пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени1/299 792 458из второй . [14] [15]

Прецизионные тесты квантовой электродинамики [ править ]

Сверхтонкое расщепление в водороде и мюонии использовалось для измерения значения постоянной тонкой структуры α. Сравнение с измерениями α в других физических системах обеспечивает строгую проверку КЭД .

Кубит в квантовых вычислениях с ионной ловушкой [ править ]

Сверхтонкие состояния захваченного иона обычно используются для хранения кубитов в квантовых вычислениях с ионными ловушками . Их преимущество в том, что они имеют очень долгое время жизни, экспериментально превышающее ~ 10 минут (по сравнению с ~ 1  с для метастабильных электронных уровней).

Частота, связанная с энергетическим разделением состояний, находится в микроволновом диапазоне , что позволяет управлять сверхтонкими переходами с помощью микроволнового излучения. Однако в настоящее время нет эмиттера, который можно было бы сфокусировать, чтобы адресовать конкретный ион из последовательности. Вместо этого для управления переходом может использоваться пара лазерных импульсов, разность частот ( отстройка ) которых равна требуемой частоте перехода. По сути, это вынужденный рамановский переход . Кроме того, градиенты ближнего поля были использованы для индивидуальной адресации двух ионов, разделенных приблизительно 4,3 микрометра, непосредственно с помощью микроволнового излучения. [16]

См. Также [ править ]

  • Динамическая ядерная поляризация
  • Электронный парамагнитный резонанс

Ссылки [ править ]

  1. ^ Шенкленд, Роберт С. (1974). «Михельсон и его интерферометр». Физика сегодня . Американский институт физики. 27 (4): 37–43. Bibcode : 1974PhT .... 27d..37S . DOI : 10.1063 / 1.3128534 .
  2. ^ a b Вудгейт, Гордон К. (1999). Элементарная атомная структура . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-851156-4.
  3. ^ a b c Джексон, Джон Д. (1998). Классическая электродинамика . Вайли. ISBN 978-0-471-30932-1.
  4. ^ CE Soliverez (1980) J. Phys. C: Физика твердого тела. 13 L1017. [1] DOI : 10,1088 / 0022-3719 / 13/34/002
  5. ^ Вудгейт, Гордон К. (1983). Элементарная атомная структура . ISBN 978-0-19-851156-4. Проверено 3 марта 2009 .
  6. ^ a b Enge, Харальд А. (1966). Введение в ядерную физику . Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-201-01870-7.
  7. ^ Ю. Millot (2008-02-19). «Тензор градиента электрического поля вокруг квадрупольных ядер» . Проверено 23 июля 2008 .
  8. ^ Фрош и Фоли; Фоли, Х. (1952). «Магнитная сверхтонкая структура в диатомике». Физический обзор . 88 (6): 1337–1349. Bibcode : 1952PhRv ... 88.1337F . DOI : 10.1103 / PhysRev.88.1337 .
  9. ^ Браун, Джон; Алан Кэррингтон (2003). Вращательная спектроскопия двухатомных молекул . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-53078-1.
  10. ^ a b Браун, Джон; Алан Кэррингтон (2003). Вращательная спектроскопия двухатомных молекул . ISBN 978-0-521-53078-1. Проверено 3 марта 2009 .
  11. ^ Аренс, В .; Lewen, F .; Takano, S .; Winnewisser, G .; и другие. (2002). «Субдоплеровская спектроскопия насыщения HCN до 1 ТГц и обнаружение излучения от TMC-1». Z. Naturforsch . 57а (8): 669–681. Bibcode : 2002ZNatA..57..669A . DOI : 10.1515 / зна-2002-0806 . S2CID 35586070 . 
  12. ^ a b Маллинз AM; Loughnane, RM; Редман, депутат; и другие. (2016). «Радиационный перенос HCN: Интерпретация наблюдений сверхтонких аномалий». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 459 (3): 2882–2993. arXiv : 1604.03059 . Bibcode : 2016MNRAS.459.2882M . DOI : 10.1093 / MNRAS / stw835 . S2CID 119192931 . 
  13. ^ Tatematsu, K .; Умемото, Т .; Kandori, R .; и другие. (2004). " Наблюдения N 2 H + ядер молекулярных облаков в Тельце". Астрофизический журнал . 606 (1): 333–340. arXiv : astro-ph / 0401584 . Bibcode : 2004ApJ ... 606..333T . DOI : 10.1086 / 382862 . S2CID 118956636 . 
  14. Перейти ↑ Taylor, BN, Thompson, A. (Eds.). (2008a). Международная система единиц (СИ) . Приложение 1, стр. 70. Это версия английского текста восьмого выпуска (2006 г.) публикации Международного бюро мер и весов Le Système International d 'Unités (SI) (Специальная публикация 330) дляСоединенных Штатов. Гейтерсбург, доктор медицины: Национальный институт стандартов и технологий. Проверено 18 августа 2008 года.
  15. ^ Тейлор, Б. и Томпсон, А. (2008b). Руководство по использованию Международной системы единиц (Специальная публикация 811). Гейтерсбург, доктор медицины: Национальный институт стандартов и технологий. Проверено 23 августа 2008 года.
  16. ^ Warring, U .; Ospelkaus, C .; Colombe, Y .; Joerdens, R .; Leibfried, D .; Вайнленд, диджей (2013). "Адресация индивидуальных ионов с помощью градиентов микроволнового поля". Письма с физическим обзором . 110 (17): 173002 1–5. arXiv : 1210.6407 . Bibcode : 2013PhRvL.110q3002W . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.110.173002 . PMID 23679718 . S2CID 27008582 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Поиск ядерных магнитных и электрических моментов - данные о структуре и распаде ядер в МАГАТЭ