Спин и магнитный момент ядра

Ядро, также как и составляющие его нуклоны, имеет собственные моменты: спин, магнитный момент и электрический квадрупольный момент.

Представление о спине и магнитном моменте ядра было введено для объяснения сверхтонкой структуры спектральных линий.

Спинсобственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого; измеряется в единицах постоянной Дирака h и может быть целым (о, 1, 2,...) или полуцелым (1/2, 3/2,...).

Постоянная Дирака h=h/2x, где h - постоянная Планка, h = 1,054610ш34Дж-с, имеет размерность момента импульса.

Различают два случая расщепления спектральных линий. Тонкая структура спектральных линий обусловлена взаимодействием электронов в электронной оболочке атома. Сверхтонкая структура линий - влиянием атомного ядра (изотопным эффектом и ядерным спином). Изотопный эффект проявляется в изменении частоты испускаемых атомом линий вследствие сдвига энергетических линий, который зависит от массы ядра.

Ядро как пространственно ограниченная и связанная система взаимодействующих между собой нуклонов, может рассматриваться как одна микрочастица. Поскольку нуклоны обладают собственным механическим моментом, или спином, равным h/2, то и ядра имеют механические моменты. Кроме того, нуклоны совершают движение относительно друг друга (орбитальное движение относительно центра движения ядра), которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Орбитальные моменты принимают только целочисленные значения h. Ядра имеют собственный механический момент или спин. Все механические моменты нуклонов, как собственные (спины), так и орбитальные, суммируются алгебраически и составляют спин ядра.

Ядериый спин выражается квантовым числом / в единицах h =

h/2n.

Несмотря на то, что число нуклонов в ядре может быть очень велико, спины ядер обычно невелики и составляют несколько h, что объясняется особенностью взаимодействия одноимённых нуклонов. Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимно компенсируются (в парах всегда взаимодействуют партнеры с антипараллель- ными спинами). Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие из чётного числа протонов и чётного числа нейтронов, не имеют механического момента (чётно-чётные ядра в основном состоянии имеют /=о). Отличные от нуля спины существуют только у ядер, имеющих в своём составе непарные нуклоны. Спин такого нуклона суммируется с его же орбитальным моментом и имеет какое-либо полуцелое значение: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра нечётно-нечётного состава имеют целочисленные спины: 1, 2, 3 и т. д. (у протона и нейтрона спин одинаков и равен V2, поэтому все ядра с чётным А имеют целый спин, а ядра с нечётным Л - полуцелый спин).

Два нейтрона с одинаковой энергией и нулевыми значениями орбитального момента могут иметь разные значения проекции спина на выделенную ось, т.е. +1/2 и -1/2. Сумма спинов нейтронов в этом случае равна

о. Эта же ситуация реализуется для двух протонов. Поэтому суммарный момент четвёрки нуклонов - т.е. ядра 4 Не - равен о.

Магнитный момент - векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Магнитный дипольный момент ядра определяет энергию взаимодействия ядра с однородным магнитным полем.

Магнитными моментами обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитные моменты отдельных элементарных частиц обусловлены существованием у них спина. Магнитные моменты ядер складываются из спиновых магнитных моментов протонов и нейтронов, образующих эти ядра, а также из магнитных моментов, связанных с их орбитальным движением внутри ядра.

Единицей магнитного момента является ядерный магнетон

где шр - масса протона.

Тесла (Тл) - единица измерения индукции магнитного поля в системе СИ, численно равная индукции такого однородного магнитного поля, в котором на 1 метр длины прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой г ампер действует сила 1 ньютон.

Ядерный магнетон в тре=1836 раз меньше электронного магнетона Бора, используемого в атомной физике. Магнитный момент ядра равен целому кратному ядерного магнетона Бора.

Магнетон Бора является такой же универсальной единицей измерения магнитных моментов ядер, какой служит элементарный электрический заряд е для измерения заряда тел, или постоянная планка h для измерения механических моментов. Точно так же безразмерное число р служит для измерения магнитных моментов ядер в единицах ядерных магнетонов ря, подобно атомному номеру Z при измерении заряда ядер в единицах е, или квантовым числам при измерении механических моментов в единицах постоянной Дирака Ь.

У различных ядер магнитные моменты равны от -2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов. Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядер с непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона.

Магнитный момент нейтрона рп=-1,9135ря. Его направление противоположно направлению спина. Спин и магнитный момент имеют разные знаки. Магнитный момент протона +2,792бця (момент направлен по спину). Отличие магнитного момента протона от одного ядерного магнетона кажется странным. Еще более удивительным представляется существование магнитного момента у не имеющего заряда нейтрона.

Замечание. Недостаточно хорошее совпадение вычисленных и экспериментальных значений магнитного момента протона, обусловлено тем, что расчёты проводятся без учёта внутренней структуры обеих частиц, которая пока в деталях неизвестна.

Табл. 3. Спины и магнитные моменты некоторых ядер

Ядро

Спин / в Ti

р в рВ

Ядро

Спин/вй

p в pB

п

1/2

1,91

'1C

0

0

р

1/2

+2,79

13

1/2

+0,7

1

о,86

»,N

1

+0,4

1/2

+3

1/2

-0,28

!Не

1/2

-2,1

“о

0

0

?Не

О

0

1яО

5/2

-1,0

|Li

1

+0,8

1151 — 49 HI

9/2

+5,5

lu

3/2

+3,2

209 r: 83

9/2

+4

>

3/2

-1,2

  • 208 pu
  • 82* 4

о

0

LHC

СО

3

+1,8

235ii 92 U

7/2

-o,35

239pi|

__

У2

+0,2

В таблице з приведены спины I и приближенные значения магнитных моментов р для нуклонов и некоторых лёгких, средних и тяжёлых ядер. Знак минус у магнитного момента указывает на то, что он направлен противоположно спину. Ядра, имеющие нулевой спин, обладают нулевым магнитным моментом.

Нейтроны и протоны в ядре располагаются таким образом, что их спины и магнитные моменты взаимно компенсируются (в чётно-чётных ядрах наблюдается полная компенсация). Максимальный спин ядра не превышает нескольких единиц, т.е. он гораздо меньше Л/2, чему он должен был бы равняться, если бы спины всех нуклонов складывались. Также обстоит дело и с магнитными моментами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >