Оглавление
- 1 Сверхтонкая структура
- 1.1 Сверхтонкая структура в атомной физике
- 1.2 История и теория
- 1.3 Атомная сверхтонкая структура
- 1.4 Суммарное магнитное поле и вклад
- 1.5 Аппроксимация и квантовые числа
- 1.6 Сверхтонкая структура атомных ядер
- 1.7 Электрический квадруполь
- 1.8 Молекулярная сверхтонкая структура
- 1.9 Сверхтонкая структура малых молекул
- 1.10 Измерения и приложения
- 1.11 Субмиллиметровая астрономия
- 1.12 Ядерная спектроскопия
- 1.13 Ядерные технологии
- 1.14 Прецизионные тесты квантовой электродинамики
- 1.15 Кубит в квантовых вычислениях
- 1.16 Дополнительные методы
- 1.17 Полный текст статьи:
- 2 Сверхтонкая структура
Сверхтонкая структура
-
Сверхтонкая структура в атомной физике
- Сверхтонкая структура возникает из-за электромагнитного мультипольного взаимодействия между ядром и электронными облаками.
- В атомах сверхтонкая структура обусловлена ядерным магнитным дипольным моментом и ядерным электрическим квадрупольным моментом.
- В молекулах сверхтонкая структура включает взаимодействие между магнитными моментами ядер и магнитным полем вращения молекулы.
-
История и теория
- Первая теория сверхтонкой структуры была предложена Энрико Ферми в 1930 году.
- В 1935 году Х. Шюлер и Теодор Шмидт предположили существование ядерного квадрупольного момента.
- Теория сверхтонкой структуры основана на взаимодействии мультипольных моментов ядра с внутренними полями.
-
Атомная сверхтонкая структура
- Магнитный диполь доминирует в сверхтонком гамильтониане.
- Магнитное поле, испытываемое ядром, связано с орбитальным и спиновым угловыми моментами электронов.
- Магнитное поле орбиты электрона определяется движением электрона вокруг ядра.
- Магнитное поле со спином электрона определяется магнитным моментом электрона.
-
Суммарное магнитное поле и вклад
- Полный вклад магнитного диполя в сверхтонкий гамильтониан включает энергию ядерного диполя, энергию взаимодействия ядерного диполя с полем на “конечном расстоянии” и контактный член Ферми.
- Контактный член Ферми относится к прямому взаимодействию ядерного диполя со спиновыми диполями.
-
Аппроксимация и квантовые числа
- Если сверхтонкая структура мала по сравнению с тонкой структурой, I и J являются хорошими квантовыми числами.
- В этом случае H^D может быть аппроксимирована как диагональ в I и J.
-
Сверхтонкая структура атомных ядер
- Сверхтонкая структура обусловлена взаимодействием между магнитным моментом ядра и магнитным полем.
- Энергия сверхтонкого взаимодействия зависит от полного углового момента ядра и магнитного момента.
- Сверхтонкое взаимодействие удовлетворяет правилу интервала Ланде.
-
Электрический квадруполь
- Атомные ядра со спином I ≥ 1 обладают электрическим квадрупольным моментом.
- Квадрупольный момент представлен тензором 2-го ранга, Qij.
- Энергия, связанная с квадрупольным моментом, зависит от градиента электрического поля.
-
Молекулярная сверхтонкая структура
- Включает магнитные дипольные и электрические квадрупольные члены.
- Магнитные дипольные члены получены Фрошем и Фоули.
- Прямой ядерный спин-спин и ядерный спин-вращение также вносят вклад.
-
Сверхтонкая структура малых молекул
- Пример: вращательные переходы цианистого водорода.
- Электрическое квадрупольное взаимодействие обусловлено 14N-ядром.
- Сверхтонкое ядерное спин-спиновое расщепление обусловлено магнитной связью между азотом и водородом.
- Спин-вращательное взаимодействие обусловлено 1H-ядром.
-
Измерения и приложения
- Сверхтонкие взаимодействия измеряются с помощью атомных и молекулярных спектров.
- Астрофизика: сверхтонкая структура дает линию длиной 21 см в межзвездной среде.
- Сверхтонкий переход водорода использовался как базовая единица измерения времени и длины.
-
Субмиллиметровая астрономия
- Гетеродинные приемники используются для обнаружения электромагнитных сигналов от небесных объектов.
- Различия между компонентами сверхтонкого спектра позволяют определить оптическую глубину.
- Это позволяет определить физические параметры объекта.
-
Ядерная спектроскопия
- Методы ядерной спектроскопии основаны на сверхтонких взаимодействиях.
- Важные методы: ядерный магнитный резонанс, мессбауэровская спектроскопия, возмущенная угловая корреляция.
-
Ядерные технологии
- Лазерное разделение изотопов использует сверхтонкое расщепление для селективной фотоионизации.
- Сверхтонкий структурный переход используется для создания микроволнового режекторного фильтра.
- Атомные часы на основе сверхтонких переходов используются для определения секунды и метра.
-
Прецизионные тесты квантовой электродинамики
- Сверхтонкое расщепление в водороде и мюонии используется для измерения постоянной тонкой структуры α.
- Сравнение с другими измерениями обеспечивает проверку КЭД.
-
Кубит в квантовых вычислениях
- Сверхтонкие состояния захваченного иона используются для хранения кубитов.
- Преимущество: длительный срок службы, превышающий 10 минут.
- Управление переходом осуществляется с помощью микроволнового излучения и лазерных импульсов.
-
Дополнительные методы
- Динамическая ядерная поляризация.
- Электронный парамагнитный резонанс.