Страница 85 из 161
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.
Р РёСЃ. 34. РќР° (Р°) показаны РґРІРµ возможные ориентации углового момента l = ½ (РІ соответствующих ед.) РїРѕ отношению Рє внешнему магнитному полю. РќР° (Р±) показаны три ориентации для момента l = 1
�спользуя 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 СЃ частотой, которая точно соответствует разности между РґРІСѓРјСЏ энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё (С‚.Рµ. СЃ резонансной частотой) падает РЅР° частицу так, что заставляет ее перескочить СЃ РѕРґРЅРѕРіРѕ магнитного СѓСЂРѕРІРЅСЏ РЅР° РґСЂСѓРіРѕР№, СЃ большей энергией, то это излучение будет поглощаться. Около 1932 Рі. итальянский физик Ртторе Майорана (19061938), который таинственно пропал РЅР° РјРѕСЂРµ между Палермо Рё Неаполем, Рё Р�СЃРёРґРѕСЂ Раби (18981988) теоретически обсудили поглощение, которое может возникать РїСЂРё магнитном резонансе. Р’ 1931 Рі. Р“. Брейт (18991981) Рё Раби уже теоретически предсказали использовать соответствующую методику для измерений магнитного СЃРїРёРЅР° Рё магнитных моментов.
Раби родился РІ Польше, РЅРѕ его родители эмигрировали РІ РЎРЁРђ, РєРѕРіРґР° РѕРЅ был ребенком, Рё РѕРЅ вырос РІ еврейском квартале РќСЊСЋ-Йорка, РіРґРµ его отец держал аптеку. Р’ 1927 Рі. РѕРЅ получил докторскую степень РІ Колумбийском университете Рё после РґРІСѓС… лет, проведенных РІ Европе, РІ нем же работал РґРѕ своей отставки РІ 1967 Рі. Р’ 1927 Рі. РѕРЅ работал СЃ Отто Штерном, Рё его внимание было сосредоточено РЅР° эксперименте, который проводили Штерн Рё Герлах. Поэтому после возвращения РІ Колумбийский университет РѕРЅ продолжил работу СЃ атомными Рё молекулярными пучками Рё изобрел метод магнитного резонанса, который РјС‹ кратко опишем. Р�спользуя этот метод, после Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹ РѕРЅ сумел измерить магнитный момент электрона СЃ исключительной точностью, что позволило проверить справедливость квантовой электродинамики. Ртот метод получил РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ применение для атомных часов, для ядерного магнитного резонанса Рё, РІ последующем, для мазеров Рё лазеров. Р’Рѕ время Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹ Раби участвовал РІ разработке микроволновых радаров.
Р’ знаменитой работе, написанной РІ 1937 Рі., Раби дал фундаментальную теорию для экспериментов РїРѕ магнитному резонансу. Р’ это время РІ его лаборатории проводились измерения магнитных моментов РјРЅРѕРіРёС… атомных ядер, основанные РЅР° методе неоднородного магнитного поля, использованного Штерном. Рти измерения начались РІ 1934 Рі. Рё продолжались РґРѕ 1938 Рі. Раби, однако, хотел улучшить точность измерений Рё поэтому изучал эффект прецессионного движения СЃРїРёРЅР° РІРѕРєСЂСѓРі магнитного поля. РќРѕ РѕРЅ РЅРµ придавал значения явлению резонанса, который может появиться, если излучение СЃ частотой, точно соответствующей разности энергий между СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, подается РЅР° СЃРїРёРЅ. Р’ сентябре 1937 Рі. его посетил РЎ.Дж. Гортер, который тогда работал РІ университете Грёнингена РІ Нидерландах. Гортер рассказал Раби Рѕ СЃРІРѕРёС… неудачных попытках наблюдать эффекты ядерного магнитного резонанса РІ твердых телах. Р’Рѕ время этих обсуждений Раби стал осознавать резонансную РїСЂРёСЂРѕРґСѓ явления Рё сразу же вместе СЃРѕ СЃРІРѕРёРјРё сотрудниками модифицировал СЃРІРѕСЋ аппаратуру. Таким образом, РІ 1939 Рі. метод был существенно улучшен, что позволяло переориентировать моменты атомов, молекул или ядер РїРѕ отношению Рє постоянному магнитному полю, РЅР° которое накладывалось осциллирующее магнитное поле.