Оптичні дослідження ядерної структури

Сергієнко А.О., Старостін Д.В. - ст. 1к. ПЦБ
Трянов В.І.  - асистент

Розділ оптичної електроскопії, в основі якого є використання лазерного випромінення для дослідження атомних ядер, отримав назву ядерно-лазерної електроскопії. Позитивні риси ядерно-лазерної електроскопії: високе енергетичне вирішення оптичних спектрів, можливість селективної реєстрації невеликої кількості атомів. Поява лазерної електроскопії не тільки збільшила точність та чутливість попередніх оптичних експериментів, але й різко підвищило швидкодію оптичного методу, що й дозволило розширити область досліджень на радіоактивні ядра.

Лазерне випромінення взаємодіє з електронами атома. Збудження електронної оболонки при поглинанні атомом лазерного випромінення призводить до появи оптичного спектру, який складається з окремих ліній, що відповідають енергетичним рівням електронів. Вимірюючи складові такого спектру, можна визначити розмір і форму ядра, величини ядерного спіну та магнітного дипольного моменту ядра.

Рівні енергії. Кожний хімічний елемент володіє властивим тільки йому характеристичним лінійчатим спектром. Оптичні спектри елементів були відкриті Г. Кірхгофом та Р. Бунзеном ще в середині 19 століття, пояснення їх походження дав на початку нашого століття Н.Бор. Він припустив, що в атомі є набір дискретних енергетичних станів і, що при переході атома з одного стану в інший він випромінює чи поглинає світло. Модель атома засновувалась на класичному уявленні про те, що навколо ядра обертаються електрони і кожному енергетичному стану атому відповідає відповідний радіус орбіти електрону відносно ядра. Сучасна квантова теорія дозволяє говорити лише про можливість знаходження електрону у відповідному місці простору навколо ядра.

Атомні енергетичні рівні залежать від заряду ядра, який визначається числом протонів у ядрі. Так як ядро заряджене, то виникає магнітне поле, яке впливає на енергію електронів. До того ж, якщо ядро не сферичне, його електростатичне поле також змінює енергію атома. Ці два ефекти розщеплюють структуру атомних рівней на кілька компонентів, що утворюють зверхтонку структуру оптичного спектру атома.

Інший ефект, який може бути виміряний, - ізотонічний здвиг, - зміна енергії електронних рівней атомів різних ізотопів одного і того ж елемента. Ізотопи елементу мають однакове число протонів у ядрі, тому однакові заряди, але різне число нейтронів, тому різні маси. Таким чином, ізотонічний здвиг викликається зміною маси ядра та зміною його форми.

Принцип Паулі. Квантовомеханічна теорія приписує кожному стаціонарному стану мікрочастинки в атомі чотири квантових числа: n, l, m та S. Головне квантове число n визначає величину енергії цього стану, орбітальне квантове число l - величину моменту кількості руху частинки, магнітне число m - величину проекції момента кількості руху на напрям магнітного поля, S - власний момент кількості руху (спін) частинки.

В.Паулі у 1925р. сформулював принцип, згідно якого в атомі у визначеному стані може знаходитись не більше одного електрона, тобто в атомі не можуть існувати два чи більше електронів у станах, що характеризуються однаковими значеннями чотирьох квантових чисел.

Зверхтонка структура оптичних спектрів. Енергетична схема рівней атома з урахуванням спіну електрона ускладнюється внаслідок взаємодії між спіном та моментом кількості руху електрона. В результаті спін-орбітальної взаємодії виникає тонка структура спектру, при якій окремі енергетичні рівні характеризуються набором чисел n, l, j. Наявність моментів у ядер з’являється у зверхтонкій структурі спектральних ліній, виявленої вперше у 1928р. радянськими фізиками А.Н.Тереніним та Л.Н.Добрецовим і одночасно нім. Фізиком Г.Шюлером. Інтервали між лініями в зверхтонкій структурі спектру приблизно у 1000 разів вужче, ніж у тонкій структурі. Звідси - велике значення високої монохроматичності та енергетичного вирішення лазерної електроскопії.

Аналіз зверхтонкої структури дозволяє визначити значення спіну ядра та значення магнітного дипольного та електричного квадрупольного моментів. Використовуючи лазери з різною частотою, такий аналіз можна проводити з великою точністю.