6.2. Внутренняя конверсия рентгеновского излучения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Наряду с переходами с излучением в ионизированном атоме возможны переходы без излучения, при которых энергия возбуждения этого атома расходуется на вырывание еще одного электрона. Такой процесс можно трактовать как “поглощение” фотона внутри самого атома. Этот процесс называется внутренней конверсией (т.е. внутренним преобразованием) излучения, или эффектом Оже.

В действительности имеет место безызлучательный переход, конкурирующий со спонтанным испусканием. Явление внутренней конверсии рентгеновского излучения представляет частный случай общего явления автоионизации — перехода с дискретных уровней на непрерывные, сопровождающиеся ионизацией атома.

Условием внутренней конверсии для рентгеновского излучения является выполнение общего соотношения:

, (6.1)

где - изменение энергии ионизированного атома при переходе с уровняна уровень,- энергия вырывания электрона из одной из оболочек данного атома, т.е. энергия его дальнейшей ионизации.

Для уровней энергии, связанных с ионизацией внутренних оболочек атома, условие (6.1) всегда выполняется: всегда имеются более слабо связанные электроны, энергия вырывания которых меньше энергии, освобождающейся при переходе между возбужденными уровнями иона (т.е. при рентгеновских переходах).

Когда происходит переход электрона из более внешнего слоя в более внутренний, т.е. переход с изменением n, освобождающаяся энергия значительно больше, чем энергия вырывания электрона из этого более внешнего слоя, и тем более больше, чем энергия его вырывания из более внешних слоев. Избыточная энергия переходит при этом в кинетическую энергию вырываемого электрона.

Важным следствием внутренней конверсии является то, что атом оказывается уже не однократно, а двукратно ионизирован. Может происходить и повторная внутренняя конверсия при переходе электронов на освобождающиеся места во внутренних оболочках, что приведет к еще более высокой кратности ионизации.

Переходы между уровнями внутренних оболочек в двукратно(или многократно) ионизированных атомах отличаются по своим частотам от соответствующих переходов в однократно ионизированных атомах. Это приводит к появлению т.н. недиаграммных линий, не укладывающихся в диаграмму переходов однократно ионизированного атома. Такие линии называют также сателлитами основных рентгеновских серий.

Тема 7. Явление зеемана и магнитный резонанс.

7.1. Расщепление уровней энергии в магнитном поле.

В магнитном поле происходит расщепление вырожденных уровней энергии атома на невырожденные подуровни. Это приводит к магнитному расщеплению спектральных линий на ряд составляющих и к появлению вынужденных переходов между подуровнями данного уровня энергии.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Явление расщепления спектральных линий и уровней энергии в магнитном поле называется явлением Зеемана.

Зееман в 1896 г. обнаружил расширение линий дублета Nа 5890-5896 Á (первого члена главной серии) в магнитном поле; затем ему удалось наблюдать не только расширение, но и расщепление спектральных линий. На основе классической электронной теории это расщепление было объяснено Лоренцом как результат расщепления частоты колебаний в атоме упруго связанного электрона, и лишь впоследствии, на основе теории Бора, оно было истолковано естественным образом как результат расщепления уровней энергии.

Изучение явления Зеемана на спектральных линиях атомов в видимой и УФ областях сыграло большую роль в развитии учения о строении атома. В настоящее время исследования Зеемана на спектральных линиях атомов представляет один из важных методов определения характеристик уровней энергии атомов и сильно облегчает интерпретацию сложных атомных спектров. Изучение зеемановского расщепления спектральных линий позволяет также получить ценные сведения о магнитных полях и источниках света, в частности, при исследовании Солнца - о магнитных полях в солнечных пятнах.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Вынужденные переходы между зеемановскими подуровнями данного уровня энергии происходят под действием излучения частоты, равной частоте возможных переходов, т.е. при наличии резонанса, и это явление называют магнитным резонансом.

Частоты переходов между зеемановскими подуровнями лежат в радиочастотной области спектра и изучаются радиоспектроскопическими методами.

Впервые магнитный резонанс наблюдали в 1938 г. Раби с сотрудниками в молекулярных пучках (пучках нейтральных молекул или атомов). Им удалось обнаружить сперва резонансные переходы для молекул водорода между подуровнями зеемановского расщепления, обусловленного ядерными магнитными моментами протона и дейтрона, а затем в 1940 г. резонансные переходы для атомов между подуровнями зеемановского расщепления, обусловленного электронными магнитными моментами атомов. Изучение магнитного резонанса (как электронного, так и ядерного) в пучках является сложным по своей экспериментальной методике, и исследования этого явления стали широко развиваться только после открытия в 1944 г. Завойским в Казани электронного парамагнитного резонанса.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Электронный парамагнитный резонанс - это поглощение микроволнового излучения веществом за счет переходов между подуровнями зеемановского расщепления, связанного с электронными магнитными моментами частиц вещества (определяющими парамагнитные свойства, откуда и название “парамагнитный” резонанс).

В 1945г. американцы наблюдали ядерный парамагнитный резонанс

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Ядерный парамагнитный резонанс — поглощение излучения веществом в области коротких радиоволн при зеемановском расщеплении, обусловленном ядерными магнитными моментами.

В настоящее время большинство многочисленных радиоспектроскопических исследований производится различными методами магнитного резонанса. Эти методы позволяют с очень большой точностью определять магнитные моменты атомов и ядер.

Причина зеемановского расщепления в том, что магнитные моменты могут ориентироваться различными способами по отношению к магнитному полю.

Дополнительная энергия в магнитном поле любой атомной системы, обладающей магнитным моментом, зависит от ориентации рассматриваемого момента по отношению к полю, а именно от величины проекции этого момента на направление поля. Проекция магнитного моментапропорционально проекциимеханического моментаи квантуется вместе с ней. В результате любому значениюсоответствует определенное значениеи свое значение дополнительной энергии в магнитном поле.

В соответствии с возможными значениями

проекции кратность вырождения равна

и определяет число подуровней в магнитном поле.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Квантовое число m, характеризующее подуровни зеемановского расщепления, получило название магнитного квантового числа.

Рассмотрим подробнее расщепление в постоянном внешнем магнитном поле напряженности уровня энергии атома, обладающего электронным магнитным моментом.

Дополнительная энергия атома, согласно известной формуле для энергии магнита в магнитном поле равна

, (7.1)

где - проекция магнитного момента на направление поля (вдоль осиz).

Проекция _z на направление поля имеет определенное значение, и так получаем: , (7.2)

где - гиромагнитное отношение,принимает 2J+1 значений.

Формула (7.2) дает расщепление исходного уровня на 2J+1 равноотстоящих подуровней, как показано на рисунке 7.1 для наименьших целых и полуцелых значений J. Пунктиром показано первоначальное положение уровня до его расщепления. Расщепление симметрично относительно этого положения, с которым при целом J совпадает положение подуровня m=0. Расстояние между соседними подуровнями равно .

а) 1/2 б) 1

------------------------- --------------------------- 0

-1/2 -1

в) 3/2 г) 2

1/2 1

--------------------------- -------------------------- 0

-1/2 -1

-3/2 -2

д) 5/2 е) 3

3/2 2

1/2 1

-------------------------- --------------------------- 0

-1/2 -1

-3/2 -2

-5/2 -3

Рис. 7.1 Расщепление уровней с различными значениями J в магнитном

поле: а) при J = 1/2, б) при J = 1. и т.д. см. по рисунку.