МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ ЯДЕР

Магнитные моменты атомных ядер имеют различные значения, которые, однако, не связаны простыми соотношениями с механическим моментом. Теоретически показано, что частица, обладающая электрическим зарядом и массой должна иметь собственный магнитный момент равный

В этой формуле величина определяется спином частицы 5, поэтому

Если заряд частицы положительный, то векторы магнитного и механического моментов имеют одинаковые направления: в этом случае считают положительным. При отрицательном заряде частицы направления векторов противоположны и считают отрицательным.

Если в формулу (4.7) подставить заряд и массу покоя электрона, то получим величину

называемую магнетоном Бора. Однако действительное (измеренное) значение магнитного момента электрона оказывается равным

Еще большее расхождение между формулой (4.7) и результатами измерений обнаруживается у протона. Если в формулу (4.7) подставить заряд и массу протона, то получается величина

называемая ядерным магнетоном. Измеренное значение магнитного момента протона оказалось равным

т. е. в 2,793 раза больше.

Нейтральные частицы не должны иметь магнитного момента, тогда как измерения показали, что нейтрон имеет магнитный момент

Знак минус показывает, что вектор магнитного момента направлен против вектора механического момента, что характерно для отрицательно заряженных частиц, поэтому полагают, что нейтрон, будучи в целом электрически нейтрален, имеет в своей структуре заряды противоположных знаков, расположенные в его объеме таким образом, что магнитные моменты, связанные с отрицательными зарядами, оказываются несколько больше магнитного момента, связанного с положительными зарядами.

Аномальные значения магнитных моментов протона и нейтрона объясняются существованием указанного выше пи-мезонного облака, окружающего их. Пи-мезоны имеют магнитный момент поэтому если определение магнитного момента протона или нейтрона в измерительной аппаратуре длится некоторое время то появляющиеся и исчезающие пи-мезоны могут внести некоторый вклад в результаты измерений; эти результаты будут статистически средними за время

Таким образом, магнитные моменты ядер не могут быть представлены в виде векторной суммы собственных: (спиновых) магнитных моментов составляющих их нуклонов (которые вместе с механическими моментами должны быть или параллельны, или антипараллельны между собой); некоторый вклад могут внести и орбитальные магнитные моменты вращающихся зарядов (протонов).

Приведем магнитные моменты некоторых ядер:

Обнаружена только одна закономерность: магнитные моменты всех четно-четных ядер равны нулю. Так как у таких ядер равны нулю и спины, то можно утверждать, что в структуре четно-четных ядер протоны соединены в «пары» с противоположными ориентациями механического и, следовательно, магнитного моментов; такие же «пары» с нулевыми значениями обоих моментов образуют и нейтроны.

Рассмотрим интересный пример: у ядра «тяжелого водорода» — дейтрона, состоящего из протона и нейтрона, спин равен единице. Это означает, что в его структуре протон и нейтрон должны иметь одинаковые ориентации векторов механического момента (спины складываются: следовательно, противоположные ориентации магнитных моментов (у протона механический и магнитный моменты имеют одинаковые направления, у нейтрона — противоположные). Тогда полный магнитный момент дейтрона должен был бы равняться

измерения же показали, что т. е. меньше разности магнитных моментов протона и нейтрона. Это означает, что в ядре кроме собственных магнитных моментов нуклонов имеются дополнительные магнитные моменты (орбитальные и, возможно, другие), которые в данном случае направлены противоположно моменту протона.

Магнитные моменты ядер измеряются резонансным методом (см. ч. III, § 25). Идея этого метода заключается в следующем: допустим, что некоторая частица (или система частиц — атом, атомное ядро) обладает магнитным моментом Во внешнем магнитном поле В она приобретает дополнительную кинетическую энергию, равную и прецессируют вокруг направления поля с некоторой частотой пропорциональной . В таком состоянии частица может поглотить излучение с частотой и изменить ориентацию вектора относительно В на противоположную. Поэтому, если пропустить через вещество, содержащее множество таких прецессирующих частиц, излучение, частоту которого можно плавно изменять, то при обнаруживается резкий (резонансный) максимум поглощения. (Частота оказывается в радиотехническом диапазоне.) Затем по значениям можно вычислить