сверхтонкое взаимодействие

СВЕРХТОНКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - взаимодействие магн. и квадрупольного моментов 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 порядка меньшим масштаба тонкой структуры, связанной со спин-орбитальным взаимодействием. 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 электронами в месте нахождения ядра; и - - магн. и квадрупольный моменты ядра, е - заряд электрона. Здесь угл. скобки означают усреднение по волновым ф-циям ядра, - компоненты вектора r; индексы, ось z направлена вдоль спина ядра. Величины и можно выразить через ядерный спин:

где - магнетон Бора, m_е, т_p - массы электрона и протона, g_I - гиромагнитное отношение, Q - ср. по волновым ф-циям ядра значение компоненты Q_zz в состоянии с макс. проекцией спина на ось z, - Кронекера символ .Магн. поле Н, создаваемое электронами в месте нахождения ядра, является суммой поля, обусловленного орбитальным движением электронов и поля H_s, связанного с распределением спиновой плотности. Поле H_s может быть представлено в виде суммы 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 нуль контактное взаимодействие и остаются H_sl и H_l.

Расщепление уровней в атомах и молекулах, к к-рому приводит С. в., по порядку величины равно для магн. части взаимодействия и для квадрупольных взаимодействий,, где - тонкой структуры постоянная, z - заряд ядра, - единица Ридберга для энергии, а₀ - Бора радиус .Характер расщепления 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 ионов в состоянии с квантовыми числами nlj имеем:

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

Экспериментально С. в. исследуется методами лазерной спектроскопии, радиоспектроскопии, электронного парамагнитного резонанса, ядерного магнитного резонанса, ядерного квадрупольного резонанса, используются также методы гамма-спектроскопии, основанные на Мёссбауэра эффекте .Изучение сверхтонкого расщепления позволяет определить спины, магн. и квадрупольные моменты ядер, в т. ч. и в случаях, когда время жизни этих ядер мало. В свою очередь, благодаря С. в. ядра играют роль естеств. зонда, позволяющего исследовать 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 состояния водорода даёт радиолинию водорода 21 см, к-рая играет чрезвычайно важную роль в совр. радиоастрономии.

Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Квантовая механика, 4 изд., М., 1989; Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, [2 изд.], 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.

   <<      Предметный указатель      >>