ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Особенности радиоспектроскопии из "Ядерный магнетизм " И переходов, происходящих между ними с поглощением или испусканием электромагнитного излучения. Точнее, ядерный магнитный резонанс представляет собой раздел радиоспектроскопии, в котором используется область частот, простирающаяся в настоящее время, скажем, от 1000 Мгц до 2 кгщ последняя величина соответствует частоте перехода между зеема-новскими уровнями спина протона в земном магнитном поле. [c.13] Другой важной особенностью излучения, полученного с помощью электронного генератора, является его когерентность. В классической теории электромагнитного поля это выражается очень просто каждая компонента электромагнитного поля представляет собой гармоническую функцию времени со строго определенной фазой. На квантовом языке строго определенная фаза поля означает неопределенность полного числа фотонов, так как, согласно квантовой теории излучения между фазой ф компоненты электромагнитного поля и числом п фотонов этой частоты (для данного типа колебаний), существует соотношение неопределенностей Д Аф — 1. В радиоспектроскопии, где п очень большое число, возможно определить одновременно с большой точностью число фотонов, а следовательно, амплитуду и фазу радиочастотного поля, не вступая в противоречие с соотношением неопределенностей. [c.13] Из сказанного выше следует, что в радиоспектроскопии удобно и вполне законно описывать радиочастотное электромагнитное поле классически. [c.13] Измерение расстояния Д между двумя энергетическими уровнями системы составляет основную задачу спектроскопии. Для ее решения естественно найти такую величину С, являющуюся известной функций Д, которую можно непосредственно измерять. Точность такого метода, который мы будем называть статическим или нерезонансным , чаще всего недостаточна, так как, во-первых, она в лучшем случае равна точности, с которой определяется С, и, во-вторых, потому, что зависимость между измеряемой величиной С и интересующей нас величиной Д может содержать другие, не всегда точно известные параметры. [c.13] В резонансном методе рассматриваемая система подвергается воздействию радиочастотного поля, частота V которого может непрерывно изменяться. Пока не выполняется резонансное условие А = /IV, вероятность индуцированных полем переходов очень мала, однако она значительно возрастает, когда частота достигает значения Го= А/А. Если увеличение скорости переходов вызывает обнаружимое (а не измеримое) изменение в системе, то может быть установлен сам факт резонанса, и измерение А сводится к измерению частоты поля. Таким образом, каждый резонансный эксперимент состоит из двух этапов а) индуцирование (или нащупывание ) резонанса и б) его регистрация. До сих пор наиболее трудная задача регистрации резонанса решена большим (и все еще увеличивающимся) числом способов, каждый из которых наилучшим образом приспособлен к особенностям изучаемой системы. [c.14] Чтобы определить место ядерного магнитного резонанса в гораздо более широкой области радиоспектроскопии, поучительно рассмотреть принципы некоторых резонансных экспериментов, иллюстрирующих огромное разнообразие способов его обнаружения. В одних случаях статический метод использовался раньше резонансного , в других — резонансный метод пока еще практически не применялся, хртя его применение в принципе возможно. Ниже проводится сравнение этих двух методов. Однако описание различных экспериментов будет предельно кратким, и не будет уделяться внимания исторической последовательности. [c.14] Статический метод измерения впервые был применен в историческом эксперименте Штерна и Герлаха [2]. Атом с магнитным моментом ц движется вдоль направления ОХ в неоднородном поле которое, так же как и его градиент дНо1дг перпендикулярно ОХ. Атом подвергается действию силы izidHoldz), которая отклоняет его на величину, пропорциональную Ц2. Например, для спина У2 величина может иметь два значения ц и атомы после прохождения неоднородного поля образуют на экране, перпендикулярном ОХ у два симметричных пятна. Если известны градиент поля и время, проводимое атомами в неоднородном поле, то можно получить значение х, измерив расстояние между пятнами. Несмотря на многочисленные усовершенствования описанной простой схемы, точность ее невелика. [c.14] В основу метода измерения положена зависимость коэффициента поглощения пучка поляризованных нейтронов ферромагнитным образцом от угла между направлением поляризации и вектором намагниченности ферромагнетика. Пучок нейтронов проходит через две железные пластинки, намагниченные до насыщения вдоль оси 0Z, перпендикулярной направлению распространения пучка ОХ. После прохождения первой (поляризующей) пластинки пучок нейтронов частично поляризуется, так как поглощение зависит от направления спина. Б более позднем варианте эксперимента использовалось отражение неполяризованного пучка от магнитного монокристаллического зеркала и достигнута большая степень поляризации. Если в пространстве между двумя пластинками существует поле Яо, перпендикулярное намагниченности и направлению пучка, то спин нейтрона, который находится в этом поле, в течение времени t повернется, прецессируя вокруг поля, на угол а = o , пропорциональный как магнитному моменту нейтрона, так и величине поля. Интенсивность пучка, проходящего через вторую (анализирующую) пластинку, будет периодической функцией поля с периодом 2л /со, по которому в принципе можно вычислить магнитный момент нейтрона. Точность описанного метода весьма невелика. [c.15] Из теории электрона Дирака следует, что энергия уровней атома водорода 2 1/2 и 2р1/ одинакова. В эксперименте, который будет описан ниже, измеряется расщепление этих уровней, обусловленное взаимодействием связанного электрона с полем излучения. [c.16] Легко представить эксперимент, относящийся к описанному выше так же, как эксперимент Штерна и Герлаха относится к опыту Раби. Внешнее постоянное электрическое поле будет смешивать состояния 2 1/2 и 2 1/2 в пропорции, которая зависит известным образом от расстояния А между ними. Атомы, находящиеся в состоянии 2 1/3 и частично в состоянии 2 1/2, имеют конечную вероятность возвращения в основное состояние с испусканием света раньше, чем достигнут детектора. Зная время, проводимое каждым атомом в пучке, время жизни состояния 2р / и напряженность внешнего электрического поля, можно в принципе (хотя это безнадежно практически) определить А, измерив уменьшение тока вторичных электронов как функцию внешнего поля. [c.16] Основное состояние позитрония, т. е. системы, состоящей из связанных электрона и позитрона, имеет тонкую структуру Д — расщепление между нижним синглетным состоянием и высшим триплетным состоянием Каждое состояние имеет ограниченное время жизни по отношению к аннигиляции электрона и позитрона с образованием -излу-чения. Все эксперименты, имеющие целью измерить А, основаны на том, что позитроний в синглетном состоянии распадается на два фотона с обратным временем жизни 1/т — 8-10 сек , тогда как, согласно правилу отбора, позитроний в триплетпом состоянии распадается на три фотона со скоростью 1/т — 7-10 сек , т. е. в 1000 раз медленнее. [c.17] О триплета, которое, становясь отчасти синглетным, приобретает конечную вероятность по отношению к распаду позитрония в этом состоянии на два фотона. Величина А была определена по увеличению скорости распада позитрония на два фотона в зависимости от внешнего поля. [c.17] Индуцируя переходы между синглетным и триплетным состояниями радиочастотным полем с частотой А/Д и детектируя резонанс как увеличение числа двухфотонных распадов, можно было бы непосредственно измерить А резонансным методом. Однако получить значительную мощность на частоте Мгц трудно. По этой причине на систему накладывается магнитное поле Го и индуцируются переходы на значительно меньшей частоте между подуровнем триплета с 82 = О и двумя подуровнями с 3 = 1. Внешнее поле Но вызывает перемешивание синглетного состояния с состоянием триплета О, которое в этом случае имеет конечную вероятность по отношению к распаду на два фотона. С другой стороны, подуровни триплета 3 1 остаются чистыми, и позитроний в этих состояниях может распадаться только на три фотона. Резонанс обнаруживается по увеличению числа двухфотонных распадов, и поскольку резонансная частота является известной функцией А и Но, то оказывается возможным вычислить величину А. В этом случае точность значительно выше, чем в нерезонансном методе. [c.17] Все характерные черты аналогичны особенностям (1) — (3) в эксперименте Лэмба однако (4) отличается, ибо переходы в позитронии не электрические, а дипольные магнитные. [c.17] Заметим, что резонансный эксперимент с позитронием относится к эксперименту Лэмба так же, как нерезонансный опыт относится к гипотетическому эксперименту Лэмба во внешнем постоянном электрическом поле. [c.17] В резонансном эксперименте постоянное магнитное поле накладывается параллельно вектору начальной поляризации 1-мезона, и переориентация спина 1-мезона радиочастотным полем обнаруживается по изменению скорости счета в данном направлении. Точность этого измерения была достаточной для того, чтобы основное ограничение при оценке аномального магнитного момента 1-мезона было обусловлено недостаточно точным знанием его массы. [c.18] Поляризованный свет от газоразрядной лампы освещает камеру поглощения, заполненную таким же газом при низком давлении. Если атомы в камере, возбужденные при поглощении падающего света, имеют отличный от нуля момент, то их различные магнитные подуровни будут неодинаково населены и излученный возбужденными атомами свет будет поляризован. Зеемановское расщепление этих подуровней во внешнем магнитном поле, может быть измерено в резонансном эксперименте, когда радиочастотные переходы между магнитными подуровнями выравнивают их населенности, а резонанс детектируется по сопутствующему изменению поляризации рассеянного света. Это также детектирование триггерного типа. [c.18] В резонансном методе поле Но, приложенное вдоль направления первичного излучения, не нарушает угловой корреляции, однако наложение малого радиочастотного поля Н , перпендикулярного Но, нарушает ее, если резонансная частота выбрана правильно. Ко времени написания настоящей книги этот эксперимент еще не завершился успехом по причинам, которые будут изложены ниже. [c.19] Вернуться к основной статье