Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СВЕРХТОНКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

СВЕРХТОНКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

СВЕРХТОНКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - взаимодействие магн. и квадрупольногомоментов ядер с магн. и электрическим полями окружающих электронов. С. <в. приводит к сверхтонкой структуре энергетич. уровней в атомах, <молекулах и твёрдых телах с характерным энергетич. масштабом, на 3 порядкаменьшим масштаба тонкой структуры, связанной со спин-орбитальнымвзаимодействием. Число подуровней сверхтонкой структуры равно 2I+ 1, если спин ядра I меньше момента электронной оболочки J, и 2J+ 1 в противном случае, Гамильтониан С. в.имеет вид:

где - гамильтонианы магн. и квадрупольного взаимодействий; Н и - напряжённость магн. поля и электростатич. потенциал, создаваемые электронамив месте нахождения ядра;и -- магн. и квадрупольный моменты ядра, е - заряд электрона. Здесьугл. скобки означают усреднение по волновым ф-циям ядра,- компоненты вектора r; индексы ,ось z направлена вдоль спина ядра. Величины и можновыразить через ядерный спин:

где - магнетон Бора, m _е, т _p - массы электронаи протона, g_I - гиромагнитное отношение, Q- ср. по волновымф-циям ядра значение компоненты Q_zz в состоянии с макс. <проекцией спина на ось z,- Кронекера символ. Магн. поле Н, создаваемое электронами в местенахождения ядра, является суммой поля, обусловленного орбитальным движениемэлектронов и поля H_s, связанного с распределением спиновойплотности. Поле H_s может быть представлено в видесуммы поля, соответствующего магнитодипольному взаимодействию , и поля, соответствующего контактному взаимодействию ,где - волновая ф-ция электрона в месте нахождения ядра, s - спин электрона. <Для электронов с нулевым орбитальным моментом (s-электронов) H_s1 и Н _l обращаются в нуль и остаётся только контактное взаимодействие. <Напротив, для электронов с орбитальным моментом l > 0 обращается в нульконтактное взаимодействие и остаются H_sl и H_l.

Расщепление уровней в атомах и молекулах, к к-рому приводит С. в., попорядку величины равно для магн. части взаимодействия и дляквадрупольных взаимодействий,,где - тонкойструктуры постоянная,z - заряд ядра,- единица Ридберга для энергии, а ₀ - Бора радиус. Характеррасщепления определяется величиной <IJ>, усреднённой по собств. состоянию системы с полным моментом F = I+ J; М - проекция полного момента:

где С= 2= F(F + I) - J(J+1) - I(I+ 1). Для водородоподобных ионовв состоянии с квантовыми числами nlj имеем:

Для неводородоподобных атомов, молекул и твёрдых тел расчёт магн. поляи градиента электрич. поля электронных оболочек в месте нахождения ядравесьма сложен. Он, как правило, связан с выходом за рамки обычного Хартри- Фока метода и требует громоздких расчётов. В частности, даже длящелочных элементов учёт спиновой поляризации остова может изменить значениепостоянной A в 1,5 раза. В ряде случаев, напр. для атомов и ионов с валентнымиd-электронами, из-за спиновой поляризации меняется знак магн. поля. Длямногозарядных ионов и тяжёлых ядер существенную роль начинают играть релятивистскиеэффекты и эффекты, связанные с коночным размером ядра.

Экспериментально С. в. исследуется методами лазерной спектроскопии, <радиоспектроскопии, электронного парамагнитного резонанса, ядерного магнитногорезонанса, ядерного квадрупольного резонанса, используются также методы гамма-спектроскопии, основанные на Мёссбауэра эффекте. Изучениесверхтонкого расщепления позволяет определить спины, магн. и квадрупольныемоменты ядер, в т. ч. и в случаях, когда время жизни этих ядер мало. Всвою очередь, благодаря С. в. ядра играют роль естеств. зонда, позволяющегоисследовать электронную структуру твёрдых тел.

С. в. весьма существенно в спектроскопии мезоатомов, т. к. абс. <величина сверхтонкого расщепления увеличивается в раз, где - масса мезона, а относительная - в раз.

Переход между подуровнями сверхтонкой структуры основного состоянияводорода даёт радиолинию водорода 21 см, к-рая играет чрезвычайноважную роль в совр. радиоастрономии.

Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Квантовая механика, 4изд., М., 1989; Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, [2изд.], М., 1977; Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах, пер. с англ.,М., 1970; L i n d g r е n I., М о r r i s о n J., Atomic many body theory,2 ed., B.- [a. o.l, 1986. И. Л. Бейгман.