История лазера

Бертолотти Марио

Молекулы — более сложные системы, состоящие из атомов. Кроме электронных уровней, они могут иметь и другие энергетические уровни в результате вращательных движений, а также из-за того, что атомы, входящие в их состав, могут колебаться относительно своего положения равновесия. Согласно квантовой механике, энергии, соответствующие этим вращательным и колебательным движениям, также квантованы. Таким образом, получается, что любая электронная конфигурация обладает набором энергетических уровней, которые можно назвать вращательно-колебательными. Энергии, которые соответствуют скачкам между этими уровнями в определенной электронной конфигурации, очень малы, и им соответствуют длины волн инфракрасного и микроволнового диапазонов.

Итак, в спектре любой субстанции все линии в видимом

и ультрафиолетовом диапазоне, в основном, получаются из-за электронных переходов, в то время как линии в инфракрасном и микроволновом диапазонах получаются из-за вращательно-колебательных уровней, или между подуровнями тонкой и сверхтонкой структуры, или между подуровнями, которые получаются в результате эффектов Зеемана и Штарка. Это правило не совсем строгое, поскольку энергии, соответствующие высоко возбужденным электронным уровням (уровни электронов, лежащим далеко от ядра, которые часто называют «ридберговскими»), мало отличаются, и переходам между ними соответствуют волны инфракрасного и микроволнового диапазонов. Мы не будем рассматривать этот случай.

ГЛАВА 9

МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Мы видели, что вращательные движения любой частицы, атома или молекулы приводят к возникновению магнитного момента, на который влияет внешнее магнитное поле. Ради простого представления мы можем рассматривать магнитный момент нашей частицы в виде стрелки, которая указывает некоторое направление. Внешнее магнитное поле воздействует на магнитный момент частицы, т.е. на стрелку, вызывая пару сил, которые стараются повернуть и выстроить ее в направлении поля. Однако если частица вращается вокруг своей оси, подобно вращению Земли или спину электрона, наличие вращения кардинально меняет действия этих сил, и магнитный момент частицы начинает вращаться вокруг направления внешнего поля с угловой скоростью (пропорциональной магнитному полю), которая известна, как лармороваская частота (по имени ирландского ученого, открывшего это явление). Этот вид движения называется ларморовской прецессией. Это движение подобно движению волчка, вращающегося вокруг своей оси, наклоненной по отношению к вертикали: ось вращения медленно поворачивается вокруг вертикали (рис.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

Используя это обстоятельство, Штерн и Герлах дали первое экспериментальное доказательство пространственного

квантования и смогли измерить угловые моменты некоторых атомов. Улучшив методику, Штерн с сотрудниками провел серию экспериментов в период между 1933 и 1937 гг., в которых были измерены магнитные моменты протона и дейтерона (ядро тяжелого атома водорода, состоящее из одного протона и одного нейтрона).

Резонансный метод с молекулярными пучками

Если подходящее излучение с частотой, которая точно соответствует разности между двумя энергетическими уровнями (т.е. с резонансной частотой) падает на частицу так, что заставляет ее перескочить с одного магнитного уровня на другой, с большей энергией, то это излучение будет поглощаться. Около 1932 г. итальянский физик Этторе Майорана (1906—1938), который таинственно пропал на море между Палермо и Неаполем, и Исидор Раби (1898—1988) теоретически обсудили поглощение, которое может возникать при магнитном резонансе. В 1931 г. Г. Брейт (1899—1981) и Раби уже теоретически предсказали использовать соответствующую методику для измерений магнитного спина и магнитных моментов.

Раби родился в Польше, но его родители эмигрировали в США, когда он был ребенком, и он вырос в еврейском квартале Нью-Йорка, где его отец держал аптеку. В 1927 г. он получил докторскую степень в Колумбийском университете и после двух лет, проведенных в Европе, в нем же работал до своей отставки в 1967 г. В 1927 г. он работал с Отто Штерном, и его внимание было сосредоточено на эксперименте, который проводили Штерн и Герлах. Поэтому после возвращения в Колумбийский университет он продолжил работу с атомными и молекулярными пучками и изобрел метод магнитного резонанса, который мы кратко опишем. Используя этот метод, после Второй мировой войны он сумел измерить магнитный момент электрона с исключительной точностью, что позволило проверить справедливость квантовой электродинамики. Этот метод получил огромное применение для атомных часов, для ядерного магнитного резонанса и, в последующем, для мазеров и лазеров. Во время Второй мировой войны Раби участвовал в разработке микроволновых радаров.

В знаменитой работе, написанной в 1937 г., Раби дал фундаментальную теорию для экспериментов по магнитному резонансу. В это время в его лаборатории проводились измерения магнитных моментов многих атомных ядер, основанные на методе неоднородного магнитного поля, использованного Штерном. Эти измерения начались в 1934 г. и продолжались до 1938 г. Раби, однако, хотел улучшить точность измерений и поэтому изучал эффект прецессионного движения спина вокруг магнитного поля. Но он не придавал значения явлению резонанса, который может появиться, если излучение с частотой, точно соответствующей разности энергий между уровнями, подается на спин. В сентябре 1937 г. его посетил С.Дж. Гортер, который тогда работал в университете Грёнингена в Нидерландах. Гортер рассказал Раби о своих неудачных попытках наблюдать эффекты ядерного магнитного резонанса в твердых телах. Во время этих обсуждений Раби стал осознавать резонансную природу явления и сразу же вместе со своими сотрудниками модифицировал свою аппаратуру. Таким образом, в 1939 г. метод был существенно улучшен, что позволяло переориентировать моменты атомов, молекул или ядер по отношению к постоянному магнитному полю, на 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