изучение изотопической и сверхтонкой структуры спектральных линий: методические указания к лабораторной работе

www.phys.nsu.ru Лабораторная работа 1.1 О. И. Мешков Изучение изотопической и сверхтонкой структуры спектральных линий Цель работы: исследование сверхтонкой структуры линии ртути λ = 546,1 нм с помощью интерферометра Фабри-Перо. Взаимодействие орбитальных и спиновых моментов электронов приводит к возникновению тонкой (мультиплетной) структуры в спектрах атомов, которая во многих случаях может наблюдаться с помощью даже простейшего призменного спектрографа. Типичными примерами мультиплетного расщепления могут служить известный резонансный дублет натрия 3 2 S1/ 2 − 3 2 P1/ 2, 3/ 2 и триплет ртути 6 3 P0,1, 2 − 7 3 S1 . Следует отметить, что термин «тонкая структура» является условным. Если дублет натрия действительно состоит из двух близко расположенных линий (589,0 нм и 589,6 нм), то переходы в триплете ртути дают линии 404,7, 435,8 и 546,1 нм с полной шириной www.phys.nsu.ru триплета 141 нм. Исследования с помощью спектральных приборов высокого разрешения обнаруживают, что во многих случаях линии мультиплетов, в свою очередь, обладают сложной структурой. Последняя обусловлена двумя факторами: взаимодействием электронных оболочек атома с магнитными и электрическими моментами ядер, приводящим к сверхтонкой структуре (СТС) уровней, и изотопическим сдвигом уровней для различных изотопов атома. Изучение изотопической и сверхтонкой структуры в спектрах атомов дает ценную информацию о свойствах ядер, в том числе о величинах механических, магнитных и электрических моментов ядер и характере распределения заряда внутри ядра. Одним из важнейших экспериментальных методов в таких исследованиях является оптическая спектроскопия высокой разрешающей силы. Сверхтонкая структура в спектрах атомов Спиновые и орбитальные механические моменты входящих в состав ядра протонов и нейтронов формируют спиновый момент ядра I. В соответствии с общими правилами квантования моментов квадрат спинового момента ядра и его проекция на ось z определяются формулами I 2 = h 2 I ( I + 1), I z = hmI (mI = − I , − I + 1, ..., I ) . Квантовое число I принимает целые значения для ядер с четным массовым числом А и полуцелые для ядер с нечетным А. При этом существенное значение для величины спина ядра имеет не только четность А, но и четность числа протонов и нейтронов в отдельности. В зависимости от сочетания этих величин все ядра делятся на четыре группы: четночетные, нечетно-нечетные, четно-нечетные и нечетно-четные. Более половины всех устойчивых ядер www.phys.nsu.ru являются четно-четными, и все они в основном состоянии имеют спин I = 0. Нечетно-нечетных 1 www.phys.nsu.ru стабильных изотопов с целым спином всего 5. Все другие устойчивые ядра относятся к оставшимся двум группам (примерно поровну) и имеют полуцелый спин. Ядра с ненулевым спином обладают магнитными моментами, а ядра с I ≥ 1 – и электрическими моментами. Эти моменты характеризуются различной мультипольностью k = 2l , где l = 1, 2, 3… (диполь, квадруполь, октуполь и т. д.). Ввиду того, что все ядра наряду с осевой симметрией обладают также и центром симметрии, магнитные мультиполи с четным l и электрические мультиполи с нечетным l существовать не могут. Величины моментов быст