16.6.3. Резонансний метод Рабі дослідження магнітних моментів атомних ядер

Уперше цю методику для вимірювання магнітних моментів атомних ядер запропонував Ісідор Айзек Раби - американський фізик, лауреат нобелівської премії з фізики за 1944 рік.

Рис.16.11. Схема приладу для резонансного вимірювання магнітних моментів (а) і сигнал детектора (б).

Схема приладу для резонансного вимірювання магнітних моментів атомів (молекул) наведена на рис.16.11. Він складається із джерела потоку атомів (молекул), з якого вони з певною швидкістю влітають у простір взаємодії крізь вхідну щілину О_вх. Камера взаємодії складається із двох областей А і В, у яких створюється стале магнітне поле з великим градієнтом різних знаків ( i ), але . В ній створюється вакуум, щоб виключити розсіяння атомів (молекул), що досліджуються. Між областями А і В знаходиться область С, де створено однорідне магнітне поле такогож напрямку що і в А або В. Це поле не змінює траекторіюатомного пучка. В цій області за допомогою контура зі струмом можна створювати значно менше змінне магнітне поле направлене перпендикулярно до сталого поля . Атоми (молекули), що рухаються в області А, відхиляються під дією сили ( ), яка створюється магнітним полем, як показано на рис.16.11.

Деякі з них проходять крізь проміжну щілину О_С й надходять в область В, де вони відхиляються в протилежний бік силою ( ). Можна підібрати такі умови, що деякі атоми (молекули) зможуть пройти крізь вихідну щілину й надійти до детектора. При проходженні магнітного поля в області А магнітні моменти атомів (молекул) здійснюють прецесію із круговою частотою . Коли _С - частота слабкого змінного магнітного поля B_С стає рівною частоті прецесії , тобто при умові, коли настає резонансна взаємодія, внаслідок якої змінюється енергія атомів (молекул). У цьому разі їх відхилення в області А не буде компенсуватись відхиленням в області В, і вони не зможуть пройти крізь вихідну щілину і дійти до детектора. Вихідний сигнал детектора в залежності від частоти _С наведений на рис.16.11.б. Визначивши - резонансну частоту і знаючи величину B_А, можна досить точно знайти гіромагнітний фактор . Цей метод дозволив визначити - фактор електрона атомів водню:

.

Виявилось, що він відрізняється від значення , яке дає рівняння Дірака. Але наступні теоретичні дослідження показали, що він досить добре збігається з теоретичним значенням:

,

яке також відрізняється від двійки. Якщо прийняти значення проекції магнітного моменту електрона як значення магнітного моменту електрона, то він буде рівним:

,

який називається аномальним магнітним моментом.

З ЕПР зв'язаний прогрес у таких областях науки, як фізика магнітних явищ, фізика твердого тіла, фізика рідин, неорганічна хімія, біологія, медицина. Серед його застосувань – квантові парамагнітні підсилювачі, за допомогою яких здійснюється далекий космічний зв'язок. Дивись демонстрацію. [2].

Рис.16.12. Схема переходів для атому Hg у магнітному полі, для якого характерний j-j зв’язок й правило відбору для спінового квантового числа не виконується.

Описані вище радіоспектроскопічні методи дозволять досліджувати головним чином нормальні стани атомів. Для дослідження збуджених атомів використовується метод подвійного радіооптичного резонансу (ПРОР), який запропонували в 1952 році Л. Броссель та І.Ф. Біттер. В їхньому експерименті використовувалися пари ізотопу , спін ядра якого дорівнює нулеві. Пари ртуті знаходилися в сталому магнітному полі. Атоми Hg збуджувались опроміненням світлом з довжиною хвилі . Збуджене випромінювання було лінійно поляризоване вздовж напрямку вектора напруженості магнітного поля. При цьому, згідно правил відбору заселявся рівень , що відповідає зеєманівській -компоненті (рис. 16.13). Досліджувалась резонансна люмінесценція парів ртуті. Вздовж напрямку магнітного поля резонансна люмінесценція парів ртуті не спостерігалась. Але, якщо накласти змінне електромагнітне поле перпендикулярно до напрямку сталого магнітного поля і підібрати частоту, яка б дорівнювала частоті переходу між зеєманівськими рівнями, то чітко спостерігається люмінесценція парів ртуті. Це пов’язано з тим, що випромінювалися лінії -компоненти. Комбінований магнітний і оптичний резонанс має велику чутливість, оскільки магнітний резонанс реєструється за оптичним сигналом. За допомогою ПРОР вимірюються напруженості слабких магнітних полів, досліджуються структура зеєманівських підрівнів, прихованих доплерівським розширенням оптичних ліній, визначаються фактори Ланде, тощо.