Сверхтонкая структура
Сверхтонкая структура является разделение энергии в спектральных линий в атомных спектрах . Это примерно в 2000 раз меньше, чем расщепление тонкой структуры . Сверхтонкая структура основана на одной стороны на взаимодействие электронов с магнитным ( диполя ) и электрических ( квадрупольных ) моментов ядра , а с другой стороны , на изотопией на элементы .
Эффект ядерного спина
В некотором смысле более узкой, сверхтонкая структура понимается расщепление энергетических уровней в атоме - по сравнению с уровнями структуры тонкой - за счет сочетания магнитного момента ядра с магнитным полем , что электроны генерируют в его месторасположение:
Индексы означают:
Наибольшее расщепление сверхтонкой структуры демонстрируют s-электроны , потому что только они имеют большую вероятность оказаться в месте расположения ядра.
В слабом внешнем магнитном поле энергетические уровни далее расщепляются по очень похожей формуле в соответствии с магнитным квантовым числом сверхтонкой структуры ( эффект Зеемана ). В сильном внешнем магнитном поле угловой момент ядра и оболочки разделяются, так что наблюдается расщепление в соответствии с магнитным квантовым числом ядра ( эффект Пашена-Бака ). Формула Брейта-Раби может использоваться для любой напряженности поля (в случае нулевого орбитального углового момента) .
Математическая формулировка
Взаимодействие приводит к квантованию полного углового момента атома, который является суммой углового момента оболочки и ядерного спина :
Квантовое число в два раза меньше ( статистика Ферми-Дирака ) или целое число ( статистика Бозе-Эйнштейна ) и может принимать значения на расстоянии 1.
Энергия взаимодействия
это
- фактор Ланде ядра
-
ядерный магнетон
- элементарный электрический заряд
- уменьшается Планка квант действия
- масса протона
- константа сверхтонкой структуры.
Магнитный момент и угловой момент ядра связаны следующим образом:
Для определения нужны размеры и . Величину можно определить с помощью измерений ядерного магнитного резонанса , а значение - из волновой функции электронов, которую, однако, можно рассчитать только численно для атомов с атомным номером больше 1.
Приложения
Переходы между сверхтонкими состояниями используются в атомных часах, потому что их частота (как и всех атомных переходов) постоянна. Кроме того, его можно сгенерировать и очень точно измерить относительно простыми средствами, поскольку он находится в радиочастотном или микроволновом диапазоне. С 1967 года физическая единица секунды определяется посредством переходов между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния изотопа цезия 133 Cs.
Частота для перехода основного состояния в атоме водорода между и ( спин-флип ) является 1,420 ГГц , что соответствует разнице энергий 5,87 мкэВ и длине волны 21 см. Эта так называемая линия HI ( линия H-one) имеет большое значение для радиоастрономии . Измеряя доплеровский сдвиг этой линии, можно определить движение облаков межзвездного газа относительно Земли.
Изотопные эффекты
Есть еще изотопные эффекты. В отличие от ядерного спина, они не обеспечивают расщепления уровней в пределах одного атома. Скорее, это сдвиг в спектральных линиях для разных изотопов одного и того же элемента, так называемый изотопический сдвиг . В результате может наблюдаться расщепление линий на смеси изотопов .
Ядерный массовый эффект
Эффект ядерной массы основан на движении атомного ядра. Это проявляется в меньшей эффективной массе электрона. Поскольку ядра разных изотопов имеют разные массы, эффективная масса их электронов также немного отличается, что выражается в соответствующем сдвиге всех состояний в сторону большей энергии. Поскольку движение ядра уменьшается с увеличением массы ядра, этот эффект особенно важен для легких атомных ядер.
Эффект объема ядра
Ядерный объемный эффект основан на конечном расширении атомного ядра. Электроны в s-состояниях (то есть с орбитальным угловым моментом 0) имеют значительную вероятность оказаться в ядре, где потенциал больше не имеет чистой кулоновской формы . Это отклонение означает увеличение энергий состояний, которое зависит от объема ядра. В абсолютном выражении этот эффект наиболее велик для тяжелых атомов, поскольку они имеют самые большие атомные ядра. Однако расщепление больше в случае атомных ядер меньшего размера, так как отношения объемов ядер различных изотопов здесь больше.
Сверхтонкое взаимодействие в молекулах и кристаллах
Электрические и магнитные поля соседних атомов в молекулах и кристаллах, а также сама атомная оболочка влияют на расщепление спиновых состояний в наблюдаемую сверхтонкую структуру. В физике твердого тела и химии твердого тела методы ядерной физики твердого тела используются для исследования локальной структуры твердых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков). Эти методы, такие как спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), мессбауэровская спектроскопия и угловая корреляция возмущенного гамма-гамма (PAC-спектроскопия), позволяют исследовать структуры в атомном масштабе с высокой чувствительностью, используя атомное ядро в качестве зонда. В биохимии ЯМР используется для структурного анализа органических молекул.
Смотри тоже
литература
- Стефан Бюттгенбах: Сверхтонкая структура в атомах 4d- и 5d-оболочки. Springer, Берлин 1982, ISBN 0-387-11740-7
- Ллойд Армстронг: Теория сверхтонкой структуры свободных атомов. Wiley-Interscience, Нью-Йорк 1971, ISBN 0-471-03335-9