Главная > Разное > Магнитные измерения (Чечерников В.И.)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА

§ 1. ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Известно, что частицы, входящие в состав атома любого вещества, обладают не только массой и зарядом, но также механическим и магнитным моментами. Измерение этих величин производят двумя методами. В первом методе узкий пучок частиц направлен в неоднородное магнитное поле, которое ориентировано перпендикулярно к его направлению. При этом пучок отклоняется от своей первоначальной траектории на некоторое расстояние определяемое формулой

где постоянный магнитный момент частицы, кинетическая энергия частицы, градиент магнитного поля, скорость частицы, приобретенная ею вдоль оси расстояние, на котором частицы подвергаются действию магнитного поля.

Как показывает опыт, пучок частиц в магнитном поле расщепляется на несколько пучков, соответствующих числу проекций магнитного момента атома на направление поля. Величина отклонения зависит от величины магнитного момента. Данный метод определения магнитного момента применим только к незаряженным частицам, так как в противном случае появляется дополнительное отклонение, обусловленное электрическим зарядом частицы. Расчеты показывают, что ошибки, связанные с этим эффектом, численно равны величине самого магнитного момента.

Второй метод измерения магнитного момента элементарных частиц состоит в том, что эту величину рассчитывают на основании известного квантового числа и измеряемого коэффициента у (гиромагнитное отношение). В этом методе на летящие частицы

кроме постоянного поля действует переменное магнитное поле, которое вызывает переориентацию спинов. Измерить подобным методом магнитный момент электрона можно только в связанном состоянии, например измеряя магнитный момент у атомов щелочных металлов, которые, как известно, обладают одним валентным электроном.

Установки для определения магнитйого момента состоят из двух электромагнитов, которые создают сильное неоднородное поле с большим градиентом. Магнитные поля этих электромагнитов обращены друг к другу разноименными полюсами так, что отклонение пучка атомов взаимно компенсируется. В пространстве между электромагнитами находится третий магнит, создающий постоянное однородное магнитное поле, и катушка, которая создает переменное магнитное поле, направленное перпендикулярно полю последнего магнита.

Если частота прецессии частиц и частота переменного поля совпадают, происходит переориентация магнитного момента по отношению к полю, что приводит к нарушению компенсации отклонения пучка. Зная частоту прецессии частиц, можно определить коэффициент по формуле

и затем найти проекцию магнитного момента на направление поля.

Для щелочных металлов магнитный момент атома обусловлен в основном моментом электрона. При помощи описанных опытов было показано, что магнитный момент электрона равен одному магнетону Бора.

В работе [20] была предпринята попытка измерить коэффициент У совершенно свободных электронов. Это делали методом сравнения спиновой частоты с орбитальной частотой прецессии электронов в одном и том же магнитном поле. Высокая точность измерения получается здесь только в том случае, если скорость электронов небольшая.

Определение магнитного момента нейтрона производят по способу, предложенному Блохом [20]. Этот метод основан на том, что, если пропускать нейтроны через ферромагнитное вещество, рассеяние их будет зависеть от величины ориентации их магнитного момента по отношению к намагниченности ферромагнетика.

Для неполяризованного пучка нейтронов, движущихся по нормали к поверхности ферромагнитной пластинки, намагниченной перпендикулярно направлению пучка, пластинка будет выполнять роль поляризатора. Если до прохождения пластинки в пучке находилось равное число нейтронов с параллельной и антипараллельной ориентацией, то после прохождения пластинки число нейтронов с антипараллельной ориентацией становится меньше. На пути таких нейтронов ставят вторую ферромагнитную пластинку, которая

является анализатором. При этом интенсивность пучка будет зависеть от того, как расположены намагниченные поляризатор и анализатор относительно друг друга. В пространстве между поляризатором и анализатором с помощью катушки или электромагнита создается постоянное магнитное поле и перпендикулярное ему высокочастотное поле. Нейтроны, пройдя через поляризатор, попадают под действие высокочастотного поля частоты в результате чего часть нейтронов переориентируется. Это приводит к тому, что после прохождения пучка через анализатор интенсивность пучка изменяется. Эффект изменения интенсивности имеет наибольшую величину, когда выполняется равенство

где отношение магнитного момента нейтрона к его механическому моменту, Я — напряженность постоянного магнитного поля.

Рис. 119. Принципиальная схема установки для измерения магнитного момента иейтроиа: а, в, с — электромагниты, к — катушка, создающая высокочастотное магнитное поле, счетчик

Принципиальная схема установки для измерения магнитного момента нейтрона дана на рис. 119. Нейтроны проходят через кадмиевую диафрагму, выполненную в форме трубки, которая выделяет узкий пучок нейтронов. На пути их ставят три электромагнита В электромагнитах между полюсами расположены бруски, изготовленные из железа «армко», которые играют роль поляризатора и анализатора. Между этими электромагнитами находится электромагнит С, создающий постоянное магнитное поле направленное перпендикулярно траектории движения нейтронов. Между полюсами этого электромагнита помещена катушка К длиной 10 см, создающая высокочастотное переменное магнитное поле величиной в

Для получения резкого максимума лучше использовать катушки большой длины. После прохождения этой системы нейтроны проходят вторую кадмиевую диафрагму и попадают в пропорциональный счетчик. Измерение проводят следующим образом: в средний электромагнит вместе с высокочастотной катушкой помещают образец, например ампулу с водой, и определяют резонансную частоту для протонов. После этого помещают другую катушку, через которую пропускают пучок нейтронов.

Многочисленными опытами было показано, что

Магнитный момент нейтрона определяют по формуле

где механический момент нейтрона, который равен

Магнитный момент нейтрона, определенный по формуле (15.4), оказывается равным ядерных магнетонов.

Знак «минус» показывает, что магнитный момент и механический момент нейтрона ориентированы в противоположных направлениях.

Измерение магнитного момента атомов проводят методом молекулярных пучков, который впервые был предложен советскими физиками Капицей и Семеновым [6].

Экспериментально осуществили метод молекулярных пучков Штерн и Герлах [22]; в их опытах молекулярный пучок состоял из. атомов серебра, который при прохождении через неоднородное магнитное поле расщепляется на две части. По величине отклонения пучков был рассчитан магнитный момент. Эксперимент осуществлялся следующим образом. Узкий направленный молекулярный пучок испытывает действие неоднородного магнитного поля, ориентированного перпендикулярно направлению движения пучка. В результате пондеромоторного действия поля молекулярный пучок расщепляется на несколько пучков. Поэтому после выхода пучка из пространства магнитного поля пучок оставляет на экране несколько следов, которые соответствуют каждому отдельному пучку. Отклонение пучков зависит от величины магнитного поля, градиента поля и кинетической энергии летящих частиц.

Метод Молекулярных пучков может быть применен только для измерения магнитных моментов ядер тех атомов и молекул, у которых момент электронных оболочек равен или близок к нулю. В работе [23] метод, подобный Методу Штерна и Герлаха, был использован для измерения магнитного момента ядер, в частности магнитного момента протона. В одной из этих установок использовали полюсные наконечники, форма которых показана на рис. Они давали возможность получать магнитное поле с большим градиентом, причем отклонение молекул водорода составляло Исследуемый молекулярный Пучок попадал в щель детектора, где находился манометр Пирони для контроля давления газа в этом сосуде. В детекторе натянута никелевая ленточка сечением и длйной при изменении ее сопротивления гальванометр отклоняйся. Для юстировки установки имелись специальные окна.

При определении магнитного момента протона, необходимо учитывать, что молекулы водорода могут находиться в двух состояниях орто- и пара-. В первом состоянии у молекулы водорода результирующий ядерный спин равен единице, а механический момент может принимать значения и т. д. Для молекулы водорода, находящейся в состоянии пара-, ядерный спин равен нулю, а механический момент принимает значение 0, 2, 4 и т. д.,

поэтому магнитный момент такой молекулы возникает только за счет ее вращения.

Современная теория дает возможность рассчитать для любой температуры число молекул с а также число молекул, которые имеют моменты В качестве объекта изучения в описываемой установке использовали специально приготовленный чистый пара-водород и определяли интенсивность пучка в различных его точках. Полученную зависимость сравнивали с вычисленной и определяли который оказался равен После этого брали обыкновенный водород, который, как известно, представляет собой смесь орто- и пара-водорода, при этом точно было известно процентное содержание каждой модификации. Для этого водорода определяли кривую распределения интенсивности в пучке и выделяли ту интенсивность, которая относится к молекуле пара-водорода. Таким же образом находят кривую распределения интенсивности в пучке орто-водорода. Сравнение кривых пара- и орто-молекулы водорода показывает, что они резко отличаются друг от друга. В результате проведенных исследований удалось определить, что магнитный момент протона равен приблизительно

Метод молекулярных пучков, описанный выше, не может быть применен для исследования тех атомов и молекул, у которых электронный момент значительно больше ядерного магнитного момента. В этом методе отклоняющая сила очень мала, так что наблюдается небольшое расщепление молекулярного пучка.

Для преодоления этих трудностей Раби [24] предложил способ слабых полей, который позволяет измерять только механический момент ядра. При этом методе атом исследуемого вещества находится в слабом постоянном магнитном поле, так что связь между электронным моментом атома и его ядерным моментом не нарушается. Атом прецессирует вокруг направления этого поля как единое целое и пучок расщепляется на компоненты, в то время как в сильном поле пучок расщепляется на компоненты. При этом методе сила, отклоняющая атомы, пропорциональна произведению градиента магнитного поля на проекцию результирующего атомного магнитного момента, а не ядерного момента.

Как мы уже отмечали, метод слабых полей позволяет определять только механический момент ядра. Для вычисления его нужно знать число компонент, на которые расщепляется пучок. Для определения числа компонент молекулярного пучка нужно иметь ясное расщепление. Это можно получить при большом значении для заданного магнитного поля так как сила, которая отклоняет молекулярный пучок в неоднородном магнитном поле, пропорциональна произведению на проекцию результирующего атомного момента. Кроме того, необходимо по возможности

удлинить путь частиц в магнитном поле и вне поля и иметь монохроматизированный пучок частиц по скоростям, так как частицы с разными скоростями отклоняются в магнитном поле по-разному, а это приводит к размытой картине расщепления.

В экспериментальной установке для определения методом слабых полей молекулярный пучок проходит коллиматорнуке щель, которая придает пучку определенную форму. После этого пучок на своем пути попадает поочередно в неоднородные магнитные поля трех электромагнитов с градиентами, направленными перпендикулярно к пучку. Между первыми двумя магнитами находится так называемая селекторная диафрагма. Из размытого пучка, образованного в результате расщепления в поле первого магнита, выделяется узкий монохроматизированный пучок по скоростям. Частицы этого пучка, отличающиеся по скоростям приблизительно на 10%, расщепляются в слабом неоднородном поле на компоненты.

Для фиксирования следов компонент пучка используют электрический детектор. На протяжении одного миллиметра ширины расщепленного пучка в этих опытах было снято около 20 экспериментальных точек. Исследование пучка, состоящего из атомов натрия, показало, что на кривой относительной интенсивности пучка было 8 максимумов

Так как для нормальных атомов натрия получаем, что Таким образом, рассмотренный нами метод слабых полей дает возможность определять только спин атома, знание величины которого необходимо для изучения магнитных свойств ядер.

В дальнейшем метод слабых полей был видоизменен и получил название метода нулевых моментов. Этот метод основан на том, что проекция магнитного момента атома на направление магнитного поля может принимать нулевые значения. Следовательно, в молекулярном пучке есть не отклоненные полем компоненты. Раби предложил не измерять число компонент в пучке, а следить за появлением компоненты с нулевой проекцией при изменении напряженности магнитного поля. При этом методе используется весь молекулярный пучок, а не его часть, поэтому здесь нет надобности осуществлять монохроматизацию частиц по скоростям. Интенсивность исследуемого пучка в этом методе значительно больше, чем в методе слабых полей. В методе нулевых моментов измеряют зависимость интенсивности неотклоненного пучка от напряженности магнитного поля.

Чтобы иметь линейную зависимость между силой тока и полем, а также градиентом поля и величиной тока, магнитное поле создается постоянным током, проходящим через медные трубки, расположенные параллельно пучку. При этом направление тока в

трубках было взаимно противоположное. Метод нулевых моментов можно с успехом применять в том случае, если исследуемый элемент не имеет изотопов. При исследовании смеси изотопов, которые обладают различными ядерными моментами, получается сложная зависимость интенсивности неотклоненного пучка атомов от силы тока в электромагните. Этот метод позволяет так же, как и метод слабых полей, определить только спин ядра, значение величины которого дает возможность рассчитать магнитный момент ядра.

Метод молекулярных пучков сыграл в свое время большую роль для решения важных проблем в физике.

Рис. 120. Принципиальная схема установки Раби: О — источник, диафрагмы, детектор, 1, 2 и 3 — электромагниты

Позже для исследования магнитных свойств ядер был введен метод радиочастотной магнитной спектроскопии, который разработал Раби и его сотрудники [8, 19, 25, 26]. Этот метод подвергался неоднократному усовершенствованию и в настоящее время используется для измерения магнитных моментов отдельных изотопов в смеси изотопов [27—29]. В этом методе под действием вращающего магнитного поля происходит переориентация магнитного момента (частота вращения поля совпадает с частотой прецессии момента), при этом изменяется проекция магнитного момента частицы на направление постоянного магнитного поля и происходит поглощение или испускание энергии.

Схематическое устройство установки Раби показано на рис. 120. Исследуемые частицы вылетают из источника О и, пройдя через диафрагмы попадают вдетектор В качестве источника обычно используют небольшую печь, которая сделана из исследуемого материала. Температуру печи поддерживают такой, чтобы давление окружающего пара достигало нескольких десятков миллиметров ртутного столба. От источника молекулы попадают в узкие коллиматорные щели, ширина которых составляет несколько сотых долей миллиметра. Диафрагмы изолируют основную часть установки от той ее части, где находится источник частиц О. Интенсивность исследуемого пучка определяют числом молекул, приходящихся на единицу площади детектора Она пропорциональна давлению в источнике, его площади и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. Магниты 1 и 2 создают сильное неоднородное магнитное поле, градиенты которых направлены в противоположных направлениях. Поле магнита 1 вызывает отклонение молекулярного пучка, которое определяется по формуле

а поле магнита 2

где проекция магнитного момента на направление магнитного поля, множители, зависящие от геометрии аппаратуры, кинетическая энергия частицы.

В момент компенсации, т. е. когда число молекул, которые достигают детектора, будет такое же, как при выключенных магнитных полях. Наконечники электромагнита сделаны в форме коаксиальных круговых цилиндров, которые пересекаются в двух точках, расположенных на расстоянии 2а, диаметра основания малого цилиндра Такая конструкция позволяет получать магнитное поле, которое по своей топографии точно совпадает с полем, создаваемым двумя параллельными токами, текущими по проводам в противоположных направлениях. Поэтому при расчете следует иметь в виду, что поле в зазоре будет такое же, как для указанных выше токов [30]. При а градиент остается почти постоянным в области — при этом справедливо соотношение —

Для электромагнита, изготовляемого из железа «армко», при силе тока 200 а удалось получить поля напряженностью около Если значение см, то градиент магнитного поля 8 достигал порядка

В данной установке щели источника и коллиматора были шириной Магнитное поле, создаваемое магнитом 1, протяженностью начиналось на расстоянии от щели источника, а поле магнита 2 протяженностью начиналось от первой щели на расстоянии Расстояние между печью и детектором было равно При этих условиях отношение геометрических факторов было равно

В пространстве между полями электромагнитов 1 и 2 происходит переориентация магнитных моментов. Переменное магнитное поле создается током высокой частоты, который протекает по двум медным трубкам, имеющим форму шпильки. Эти трубки расположены в межполюсном пространстве электромагнита 3 и ориентированы таким образом, что высокочастотное поле направлено перпендикулярно однородному магнитному полю. Для расчета

магнитного момента ядра необходимо знать частоту переменного магнитного поля, которая должна быть измерена с большой точностью.

Измерение интенсивности молекулярных пучков осуществляется при помощи манометра Пирони, ионизационных и поверхностно-ионизационных манометров.

Рис. 121. Схема установки для измерения ядерных магнитных моментов отдельных изотопов: 1 — источник атомов, 2— масс-спектрометр, -ионизационная камера, 4 — электронный умножитель

Первые два типа используют для исследования пучков молекул легких газов, а последние — для изучения тяжелых элементов. Подробное описание вышеуказанных манометров есть в работе [8].

Таким образом, когда молекула исследуемого вещества с магнитным моментом попадает в однородное магнитное поле магнита 3, она начинает прецессировать вокруг направления этого поля с ларморовой частотой. При наличии переменного поля возникают переходы между уровнями сверхтонкой структуры для данного мультиплета: частота поля совпадает с частотой перехода Слагающая магнитного момента молекулы изменяется, и меняется величина ее отклонения в неоднородном магнитном поле магнита 2. При нарушении равенства отклонения и 12 в детектор попадает значительно меньше частиц, чем в отсутствие радиочастотного магнитного поля. Если изменять величину однородного магнитного поля при фиксированном значении переменного поля или, наоборот, изменять значение частоты переменного поля, оставляя постоянным однородное поле, можно найти значение частоты переменного магнитного поля, соответствующее минимальному значению интенсивности [28, 29, 31, 32].

На рис. 121 изображена принципиальная схема установки для измерения магнитных моментов изотопов в смеси изотопов. Эта схема основана на методе Раби.

Атомный пучок проходит через магнитное поле электромагнитов В высокочастотном поле катушки К, которая располагается между полюсами электромагнита С, часть атомов испытывает переориентировку. Другая часть атомов попадает в специальную ионизационную камеру 3, где под действием потока электронов атомы превращаются в ионы. Затем пучок ионов в масс-спектрометре 2 разбивается на отдельные пучки. Интенсивность каждого пучка измеряют электронным умножителем, который дает возможность считать отдельные ионы.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление