История лазера. Научное издание
Шрифт:
Ртак, РІ спектре любой субстанции РІСЃРµ линии РІ РІРёРґРёРјРѕРј Рё ультрафиолетовом диапазоне, РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј, получаются РёР·-Р·Р° электронных переходов, РІ то время как линии РІ инфракрасном Рё микроволновом диапазонах получаются РёР·-Р·Р° вращательно-колебательных уровней, или между РїРѕРґСѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё тонкой Рё сверхтонкой структуры, или между РїРѕРґСѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, которые получаются РІ результате эффектов Зеемана Рё Штарка. Рто правило РЅРµ совсем строгое, поскольку энергии, соответствующие высоко возбужденным электронным СѓСЂРѕРІРЅСЏРј (СѓСЂРѕРІРЅРё электронов, лежащим далеко РѕС‚ СЏРґСЂР°, которые часто называют ридберговскими), мало отличаются, Рё переходам между РЅРёРјРё соответствуют волны инфракрасного Рё микроволнового диапазонов. РњС‹ РЅРµ будем рассматривать этот случай.
ГЛАВА 9
МАГНРТНЫЙ РЕЗОНАНС
РњС‹ видели, что вращательные движения любой частицы, атома или молекулы РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ Рє возникновению магнитного момента, РЅР° который влияет внешнее магнитное поле. Ради простого представления РјС‹ можем рассматривать магнитный момент нашей частицы РІ РІРёРґРµ стрелки, которая указывает некоторое направление. Внешнее магнитное поле воздействует РЅР° магнитный момент частицы, С‚.Рµ. РЅР° стрелку, вызывая пару СЃРёР», которые стараются повернуть Рё выстроить ее РІ направлении поля. Однако если частица вращается РІРѕРєСЂСѓРі своей РѕСЃРё, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ вращению Земли или СЃРїРёРЅСѓ электрона, наличие вращения кардинально меняет действия этих СЃРёР», Рё магнитный момент частицы начинает вращаться РІРѕРєСЂСѓРі направления внешнего поля СЃ угловой скоростью (пропорциональной магнитному полю), которая известна, как лармороваская частота (РїРѕ имени ирландского ученого, открывшего это явление). Ртот РІРёРґ движения называется ларморовской прецессией. Рто движение РїРѕРґРѕР±РЅРѕ движению волчка, вращающегося РІРѕРєСЂСѓРі своей РѕСЃРё, наклоненной РїРѕ отношению Рє вертикали: РѕСЃСЊ вращения медленно поворачивается РІРѕРєСЂСѓРі вертикали (СЂРёСЃ.33), совершая прецессионное движение.
Рис. 33. Волчок, вращающийся вокруг оси, наклоненной по отношению к вертикали, описывает прецизионное движение вокруг вертикального направления
В случае атома или молекулы их магнитный момент не может иметь любой наклон по отношению к внешнему полю, поскольку из-за квантования, возможны лишь вполне определенные наклоны (см. рис 30). Магнитный момент частицы может совершать вращения вокруг внешнего поля, на своей ларморовской частоте, которая соответствует значениям разрешенных наклонов. Каждому из этих движений и, следовательно, наклонам (углам) соответствует хорошо определенная энергия. Поэтому для того, чтобы изменить один наклон на другой, необходимо увеличить или уменьшить энергию частицы на разницу между двумя наклонами, или, как мы будем говорить, между двумя энергетическими уровнями.
Если полный угловой момент частицы равен 1/2 в соответствующих единицах, частица может выстроиться по полю либо почти параллельно, либо почти антипараллельно ему. Если же угловой момент отличается от 1/2, тогда число возможных направлений увеличивается, как показано на рис. 34.
Рис. 34. На (а) показаны две возможные ориентации углового момента l = 1/2 (в соответствующих ед.) по отношению к внешнему магнитному полю. На (б) показаны три ориентации для момента l = 1
Рспользуя это обстоятельство, Штерн Рё Герлах дали первое экспериментальное доказательство пространственного квантования Рё смогли измерить угловые моменты некоторых атомов. Улучшив методику, Штерн СЃ сотрудниками провел серию экспериментов РІ период между 1933 Рё 1937 РіРі., РІ которых были измерены магнитные моменты протона Рё дейтерона (СЏРґСЂРѕ тяжелого атома РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, состоящее РёР· РѕРґРЅРѕРіРѕ протона Рё РѕРґРЅРѕРіРѕ нейтрона).
Резонансный метод с молекулярными пучками
Если подходящее излучение СЃ частотой, которая точно соответствует разности между РґРІСѓРјСЏ энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё (С‚.Рµ. СЃ резонансной частотой) падает РЅР° частицу так, что заставляет ее перескочить СЃ РѕРґРЅРѕРіРѕ магнитного СѓСЂРѕРІРЅСЏ РЅР° РґСЂСѓРіРѕР№, СЃ большей энергией, то это излучение будет поглощаться. Около 1932 Рі. итальянский физик Ртторе Майорана (19061938), который таинственно пропал РЅР° РјРѕСЂРµ между Палермо Рё Неаполем, Рё РСЃРёРґРѕСЂ Раби (18981988) теоретически обсудили поглощение, которое может возникать РїСЂРё магнитном резонансе. Р’ 1931 Рі. Р“. Брейт (18991981) Рё Раби уже теоретически предсказали использовать соответствующую методику для измерений магнитного СЃРїРёРЅР° Рё магнитных моментов.
Раби родился РІ Польше, РЅРѕ его родители эмигрировали РІ РЎРЁРђ, РєРѕРіРґР° РѕРЅ был ребенком, Рё РѕРЅ вырос РІ еврейском квартале РќСЊСЋ-Йорка, РіРґРµ его отец держал аптеку. Р’ 1927 Рі. РѕРЅ получил докторскую степень РІ Колумбийском университете Рё после РґРІСѓС… лет, проведенных РІ Европе, РІ нем же работал РґРѕ своей отставки РІ 1967 Рі. Р’ 1927 Рі. РѕРЅ работал СЃ Отто Штерном, Рё его внимание было сосредоточено РЅР° эксперименте, который проводили Штерн Рё Герлах. Поэтому после возвращения РІ Колумбийский университет РѕРЅ продолжил работу СЃ атомными Рё молекулярными пучками Рё изобрел метод магнитного резонанса, который РјС‹ кратко опишем. Рспользуя этот метод, после Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹ РѕРЅ сумел измерить магнитный момент электрона СЃ исключительной точностью, что позволило проверить справедливость квантовой электродинамики. Ртот метод получил РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ применение для атомных часов, для ядерного магнитного резонанса Рё, РІ последующем, для мазеров Рё лазеров. Р’Рѕ время Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹ Раби участвовал РІ разработке микроволновых радаров.
Р’ знаменитой работе, написанной РІ 1937 Рі., Раби дал фундаментальную теорию для экспериментов РїРѕ магнитному резонансу. Р’ это время РІ его лаборатории проводились измерения магнитных моментов РјРЅРѕРіРёС… атомных ядер, основанные РЅР° методе неоднородного магнитного поля, использованного Штерном. Рти измерения начались РІ 1934 Рі. Рё продолжались РґРѕ 1938 Рі. Раби, однако, хотел улучшить точность измерений Рё поэтому изучал эффект прецессионного движения СЃРїРёРЅР° РІРѕРєСЂСѓРі магнитного поля. РќРѕ РѕРЅ РЅРµ придавал значения явлению резонанса, который может появиться, если излучение СЃ частотой, точно соответствующей разности энергий между СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, подается РЅР° СЃРїРёРЅ. Р’ сентябре 1937 Рі. его посетил РЎ.Дж. Гортер, который тогда работал РІ университете Грёнингена РІ Нидерландах. Гортер рассказал Раби Рѕ СЃРІРѕРёС… неудачных попытках наблюдать эффекты ядерного магнитного резонанса РІ твердых телах. Р’Рѕ время этих обсуждений Раби стал осознавать резонансную РїСЂРёСЂРѕРґСѓ явления Рё сразу же вместе СЃРѕ СЃРІРѕРёРјРё сотрудниками модифицировал СЃРІРѕСЋ аппаратуру. Таким образом, РІ 1939 Рі. метод был существенно улучшен, что позволяло переориентировать моменты атомов, молекул или ядер РїРѕ отношению Рє постоянному магнитному полю, РЅР° которое накладывалось осциллирующее магнитное поле.
Рис. 35. Схема эксперимента с магнитным резонансом молекулярного пучка. Пучок из источника S пересекает две области А и В с однородными магнитными полями, которые отклоняют пучок в противоположные направления. Если молекула не изменяет своего состояния спина, когда она проходит область С, она не изменяет своего отклонения. В область С вводится осциллирующее поле. Когда в области С частота равна частоте ларморовской прецессии, ориентация спина молекулы изменяется, что проявляется резким падением интенсивности пучка на детекторе D
Когда частота этого осциллирующего поля равна разности энергий между уровнями в магнитном поле, деленной на постоянную Планка, может происходить переориентация, которая в этом случае резонансна, и может приводить к поглощению с нижнего на верхний уровень, или, как конкуренция, к процессу вынужденного излучения с верхнего уровня на нижний уровень. Чтобы обнаружить эту переориентацию, Раби и его сотрудники Дж. Келлог, Н. Рамси и Дж. Захариас использовали искусную систему, состоящую из двух секций, в которой неоднородное магнитное поле действовало на пучок (рис. 35). В первой секции (А) поле отклоняло молекулярный пучок в одном направлении, в то время как во второй секции (В) неоднородное поле было приложено в обратном направлении, отклоняя пучок в противоположном направлении и тем самым, перефокусируя пучок на приемнике. Поскольку эффекты фокусировки и перефокусировки пучка зависят одинаковым образом от скоростей молекул, молекулы, независимо от их скоростей собирались в одном месте на приемнике. В центре установки (С) было приложено сильное магнитное поле, которое вызывало ларморовскую прецессию магнитных моментов молекул. В той же области накладывалось более слабое, но осциллирующее магнитное поле. Если частота этого осциллирующего поля равна ларморовской частоте, тогда оно способно переориентировать магнитный момент молекулы. В результате частица во второй секции будет отклоняться разным образом и уже не попадет в положение фокуса. Таким образом, если с помощью приемника наблюдается интенсивность пучка, то, поддерживая сильное магнитное поле постоянным и слегка изменяя частоту слабого осциллирующего поля, можно получить кривую, как показано на рис. 36, которая показывает минимум сигнала на приемнике, когда частота изменений поля равна частоте, соответствующей переходу между двумя уровнями.
Рис. 36. Типичная резонансная кривая измерений магнитного момента в молекулярном пучке
За эти эксперименты Раби был удостоен Нобелевской премии в 1944 г. Он пользовался высоким авторитетом в научном мире и многие ученые советовались с ним о направлении своих исследований. В 1937 г. он отговаривал Рамси, который в то время был аспирантом в Колумбийском университете, от продолжения исследований с молекулярными пучками, считая, что у них малое будущее. Рамси дерзко игнорировал этот совет своего наставника и, как мы увидим, сумел добиться важных успехов в этой области, некоторые из которых были использованы при создании атомных часов. Сам Раби, несколькими годами позже, получил Нобелевскую премию за разработку пучково-резонансного метода.