На пульсаре - Кадомцев Б.Б.
ISBN 5-85504-013-5
Скачать (прямая ссылка):
изменяется. Удобно строить эти атомы, добавляя мысленно к ядру один
электрон за другим так, чтобы энергия была минимальна, т. е. чтобы атом
находился в основном состоянии. Итак, возьмем ядро с атомным номером z и
посадим первый электрон на самый нижний уровень. Этот уровень
соответствует основному состоянию электрона, изображенному на рис. 27. Мы
получаем водородоподобную систему, но с тем отличием, что теперь за счет
большего заряда ядра продольный размер
8. Вещество в сверхсильном магнитном поле
73
оказывается в z раз меньше. Добавим теперь следующий электрон. Известно,
что в обычных условиях на каждый энергетический уровень можно помещать
два электрона с противоположными спинами (магнитными моментами). В
сверхсильном магнитном поле все магнитные моменты повернуты по полю,
поэтому на оболочку можно помещать только один электрон. Поскольку ниже
всего расположены уровни квантования поперечного так называемого
дрейфового движения, то второй электрон следует поместить на уровень,
изображенный на рис. 29 6, следующий, как на рис. 29 в и т.д....
При таком построении происходит "разбухание" атома в поперечном
направлении (рис. 30) и поэтому нужно проверить, сможем ли мы таким
образом заполнить все z уровней и дойти до нейтрального атома; при этом
атом должен сохранить вытянутую вдоль магнитного поля форму.
Оказывается, мы можем представлять себе атом в виде "палочки",
ориентированной вдоль магнитного поля, при условии В > z3Bi. Чем больше
заряд ядра, тем толще такая "палочка".
Обратимся теперь к случаю очень тяжелого атома, когда z3Bi В. В этом
случае, заполняя последовательно уровни поперечного движения, мы, не
"израсходовав" еще всех электронов, вскоре достигнем радиуса, сравнимого
по величине с высотой цилиндра. Дальше заполнять эти уровни становится
невыгодным, соответствующие оболочки расположены слишком далеко от ядра.
Более выгодно поместить следующий электрон на первый возбужденный уровень
продольного движения. При больших номерах заполнения оказывается, что
центральная часть атома сохраняет почти сферическую симметрию. Влияние
сверхсильного магнитного поля в этом случае состоит в том, что размеры
атома уменьшаются с магнитным полем, а его внешние оболочки несколько
вытягиваются вдоль поля. Соответственно, возрастает энергия связи атома.
Впрочем, даже почти сферически симметрич-
Рис. 30. Заполнение оболочек атома при В z3B0. Атом с тремя электронами
можно представить как вложенные одна в другую три последовательные
электронные оболочки, изображенные на рис. 29 а-в. При В < z3 Во
последующие электроны будут достраивать оболочки типа рис. 29 г.
74
8. Вещество в сверхсильном магнитном поле
ные тяжелые атомы все же заметно удлинены вдоль магнитного поля.
Итак, предположим, что все атомы в сверхсильном магнитном поле сильно
вытянуты вдоль поля, но разные атомы - в разной мере. Напомним, что с
увеличением z поперечный радиус увеличивается, а продольный размер
уменьшается. Другими словами, очень легкие атомы представляют собой
тонкие длинные "иголочки", а более тяжелые - короткие толстенькие
"палочки" (рис. 31а).
Рис. 31. Образование молекул в сверхсильном поле: (а) атомы с разными
атомными номерами в поле В z3B0; (б) взаимодействие легкого атома Z' с
тяжелым Z и образование молекул.
Нетрудно видеть, что такие атомы должны очень сильно взаимодействовать
между собой, гораздо сильнее, чем атомы в обычных условиях. В самом деле,
в обычных сферически симметричных атомах положительно заряженное ядро
"упрятано" внутрь электронного облака, поэтому силы взаимодействия
возникают лишь за счет слабой поляризации - деформации электронного
облака. В атомах, показанных на рис. 31а, ядра практически "голенькие" -
с боков электронное облако их почти не прикрывает. Поэтому если мы
поднесем очень легкий атом z' к тяжелому, то ядро z', почти как свободное
(т. е. с далеко удаленной электронной системой), будет с огромной силой
втягиваться в очень плотное электронное облако ядра z. В результате
образуется молекула: легкое ядро z' расположится вблизи ядра z на таком
расстоянии, чтобы сила отталкивания ядер компенсировала силу втягивания
ядра z' в электронное облако, а электроны ядра z' сядут на внешние уровни
молекулы (рис. 316).
8. Вещество в сверхсильном магнитном поле
75
Тяжелое ядро сможет поглотить и несколько, скажем п, очень легких атомов
с образованием молекулы. Захват легких ядер прекратится при nz' и z,
когда отталкивание легких ядер друг от друга станет преобладать над их
втягиванием в электронное облако. Энергия связи таких молекул сравнима с
полной энергией связи атома с атомным номером z + nz' = 2z. Например, при
z = 5 и В = 1013 гаусс энергия связи составляет около 4 кэв. Это,
конечно, очень большая величина.
Рис. 32. В сверхсильном магнитном поле полимерная цепочка энергетически
выгоднее объемного кристалла: (а) слипание двух одинаковых атомов; (б)
образование полимерной цепочки из одинаковых атомов.
