2МАГНЕТИЗМ И ОСНОВЫ МЕССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Соболев А.В., Пресняков И.А.

3. Сверхтонкие взаимодействия

3.5. Магнитные сверхтонкие взаимодействия

Магнитное сверхтонкое взаимодействие – это взаимодействие атомного ядра с магнитным полем, создаваемым электронами в свободных атомах, молекулах или твердых телах. Величина данного магнитного поля, которое принято называть магнитным сверхтонким полем (Н_ст), определяется особенностями электронной структуры исследуемой системы. ^♠

Если сопоставить атомному ядру и электронам соответствующие плотности электрических токов, то магнитное сверхтонкое взаимодействие можно рассмотреть тем же способом, что и электростатическое взаимодействие, то есть с помощью разложения энергии взаимодействия в ряд по мультиполям. В результате можно определить магнитные мультипольные моменты, которые, как и рассмотренные выше электрические мультипольные моменты (например, квадрупольный момент ядра или ГЭП), являются тензорными величинами порядка l. Однако этот способ оказывается не столь простым и наглядным, как в случае электрических сверхтонких взаимодействий, поскольку для описания магнитных сверхтонких взаимодействий достаточно рассмотреть только лишь дипольный ядерный магнитный момент.

Энергия взаимодействия ядра, характеризующегося вектором магнитного момента m_Я (см. § 2.2), с магнитным полем напряженностью Н имеет следующий вид:

E_M = -μ_ЯH.    (65)

Данное выражение аналогично классическому выражению для энергии взаимодействия магнитного диполя с внешним магнитным полем любой природы. Однако в нашем случае под Н следует понимать магнитное сверхтонкое поле (Н_ст).

Принимая во внимание коллинеарность векторов μ_Я и I (см. уравнение 26), а также выбрав за ось квантования направление сверхтонкого магнитного поля, уравнение (65) можно переписать в следующем виде:

E_M = -gβ_яIH_ст = -gβ_яm_IH_ст,    (66)

где ядерное магнитное квантовое число m_I принимает 2I + 1 значений от –I до +I. Таким образом, магнитное взаимодействие полностью снимает вырождение по магнитному квантовому числу и приводит к расщеплению ядерного состояния на (2I + 1) эквидистантных уровня (рис. 38). Полное снятие вырождения по спину (ядерного или электронного) под действием магнитного поля называется эффектом Зеемана. Как следует из выражения (66), расстояние между любыми двумя соседними уровнями равно:

ΔE_M = g_βяH_ст = μ_яH_ст/I.    (67)

Рассчитанная по этой формуле энергия расщепления ядерных уровней ΔE_M, называемая энергией зеемановского расщепления, очень мала (см. задачу 1), поэтому наблюдение сверхтонкой структуры γ-излучения для данного ядерного состояния с помощью современных γ-спектрометров невозможно. Измерение зеемановской энергии ΔE_M может быть выполнено методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Кроме того, сверхтонкое расщепление возбужденных состояний ядра влияет на угловое распределение γ-излучения, что позволяет исследовать магнитные сверхтонкие взаимодействия методом возмущенных угловых корреляций.

Рис. 38. Сверхтонкое расщепление уровня с I = 3/2 в магнитном поле и при комбинированном сверхтонком взаимодействии. Диаграмма соответствует случаю g > 0.

^♠ В современной литературе магнитное сверхтонкое поле характеризуется его магнитной индукцией (B), измеряемой в единица Тл (тесла – в СИ, международное обозначение Т; гаусс – в СГС, 1 Т = 10⁴ Гс). Однако в мы здесь будем использовать напряженность магнитного поля (H), измеряемую в эрстедах Э (Напряженность в 1 Э (в СГС) соответствует полю с индукцией в вакууме 1 Гс). Отметим также, что все формулы электромагнетизма, не содержащие электрических величин, в системах СИ и СГС совпадают.

3. Сверхтонкие взаимодействия.

3.6. Магнитная сверхтонкая структура мессбауэровских спектров

Данная публикация подготовлена по материалам учебных пособий: 

Соболев А.В., Пресняков И.А. Магнетизм и основы мессбауэровской спектроскопии. Часть I. Природа эффекта Мессбауэра. Электрические сверхтонкие взаимодействия. Учебное пособие. — Отдел печати Химического факультета МГУ Москва, 2011. — С. 45.

Соболев А.В., Пресняков И.А. Магнетизм и основы мессбауэровской спектроскопии. Часть II. Магнитные характеристики ультрамалых частиц. Магнитные сверхтонкие взаимодействия. — Отдел печати Химического факультета МГУ Москва, 2014. — С. 43.