Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
в 1932 г., Грегори Брейт и Ф. В. Дорман на основе спектральных измерений
впервые получили реальную величину магнитного момента ядра 7Li.
Оптический метод оказался необычайно полезным. Он и сейчас продолжает
оставаться единственным источником данных по магнитным моментам многих
ядер. Однако он очень сложен экспериментально и, кроме того, требует
расчета электронной волновой функции на ядре, что вносит в результаты
значительную погрешность. Поэтому прямые методы могли бы иметь
значительные премущества. Отто Штерн в 1926 г. в своей статье, открывшей
замечательную серию работ по исследованиям методом молекулярных пучков,
выполненным в Институте физической химии Гамбургского университета,
указал, что этот метод был бы полезен для измерения магнитных моментов
ядер. Штерн даже оценил порядок величины, которая могла бы
характеризовать такой момент: это был "ядерный магнетон",
eh/тцС.
Методу молекулярных пучков были присущи собственные трудности. В третьей
статье из названной серии, опубликованной там же, где и первая, Фридрих
Кнауэр и Отто Штерн сообщили, что им удалось обнаружить и грубо измерить
магнитный момент подходящего порядка величины, который возникал в
результате вращательного движения атомов водорода в молекуле воды. Однако
их попытки обнаружить и измерить ядерный магнитный момент у ртути не
увенчались успехом2, Лишь в 1933 г. Иммануэлю Эстерману, Роберту Фришу и
Отто Штерну удалось измерить магнитный момент
1 Гаудсмит заметил по этому поводу: "Магнитный момент ядра не упоминался
явно, но он имелся а виду, как и в случае с магнитным моментом атома".
2 Эту неудачу они объяснили преимущественно тем, что, по всей вероятности
лишь некоторые изотопы ртути (а именно имеющие нечетное массовое число),
концентрация которых составляла лишь около 30%, могут предположительно
обладать магнитными моментами. I
114
ядра водорода. Установка и применяемый метод, по существу, были те же,
что и в эксперименте Штерна - Герлаха *. Для исключения влияния атомных
электронов использовался молекулярный водород; при этом все-таки
оставался эффект, связанный с вращением молекулы; его измеряли
эмпирически на параводороде2 и затем при работе с обычным водородом
вносили соответствующую поправку.
Тем временем Раби, работавший в период своей стажировки в Европе в группе
Штерна, в 1929 г. вернулся в Колумбийский университет и приступил там к
изучению молекулярных пучков. Под его руководством была разработана серия
модификаций метода, которая завершилась созданием так называемого
резонансного метода молекулярных пучков 3. Первая модификация
основывалась на том, что в атоме, обладающем как электронным, так и
ядерным магнитным моментом, полный эффективный момент - определяемый как
производная от энергии, зависящей от ориентации атома относительно
внешнего приложенного магнитного поля Я,- зависит от величины этого поля.
Кроме того, полный эффективный момент зависит от магнитного подсостояния,
а именно от значения составляющей момента вдоль направления поля Я.
Соответствующий анализ здесь не приводится; результат состоит в том, что
картина, получаемая при отклонении пучка в магнитном иоле Я,
характеризует величины ядерного магнитного момента ц/.
Этот метод, как и первоначальный метод Штерна - Герлаха, обладает тем
недостатком, что отклонение атома или молекулы в магнитном поле зависит
от их скорости. В пучке имеет место распределение молекул по скоростям,
зависящее от температуры пучка, и, следовательно, разброс по их
отклонениям, что приводит
1 См. Тригг Дж., Решающие эксперименты, М., "Мир", 1974 г., гл. 8.
2 Так называется модификация молекул водорода, в которой ядерные спины
ориентированы в противоположных направлениях, в результате чего имеет
место лишь молекулярный эффект.
3 Помимо принципиального развития данной методики, по-видимому, именно
Раби добился ее существенного экспериментального улучшения, заменив
сильные, но ограниченные в пространстве магнитные поля постоянных
магнитов более слабыми, но более протяженными полями, создаваемыми токами
в длинных проводах.
115
к размытию картины. Если ядерный магнитный момент1 превышает '/г, то при
некоторых определенных значениях Я- причем эти значения поля не зависят
от скоростей атомов - эффективный момент исчезает, следовательно,
отклонение отсутствует. Измерение значений Я, при которых интенсивность
неотклоненного пучка максимальна, приводит, таким образом, к определению
ядерного момента импульса и соответствующего ядер-ного магнитного момента
ц/. Кроме того, данный метод обладает еще тем преимуществом, что в нем
требуется измерять только само значение поля Я, но не его градиент.
Дополнительное усовершенствование метода, на котором мы не будем
останавливаться здесь, позволило работать с ядрами, имеющими I = '/г,
также избегая проблемы, связанной с разбросом скоростей, однако при этом
требовалось знание градиента поля.
Об окончательной модификации метода, которую мы опишем более подробно,