Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах

1. Электромагнитные взаимодействия между мультипольными моментами ядерной подсистемы и неоднородностями в распределении электромагнитных полей, создаваемых электронной системой
• Происхождение названия «сверхтонкие взаимодействия» (СТВ);
• Деление конденсированной системы на электронную и ядерную подсистемы на примере сплава типа АВ;
• Неоднородности в распределении зарядов и токов в электронной и ядерной подсистемах. Электрические и магнитные мультипольные моменты в электронной и ядерной подсистемах. Порядок мультиполей;
• Неоднородности в распределении электрических и магнитных полей в электронно-ядерной системе;
• Энергия электромагнитного взаимодействия между мультипольными моментами ядерной подсистемы и неоднородностями в распределении электромагнитных полей, создаваемых электронной подсистемой;
• Гамильтониан взаимодействия между ядерной и электронной подсистемами в системе АВ.
2. Раздел ІІ. Основные характеристики ядерной подсистемы
• Нуклонная структура ядер. Обменные, электромагнитные, слабые взаимодействия между нуклонами. Связанные состояния ядер. Основные и возбужденные состояния ядер
• Характеристики ядерного состояния
• Массовое число ядра. Радиус ядра. Плотность ядерного вещества. Энергия связи;
• Заряд ядра. Распределение ядерного заряда по объему ядра. Электрические мультиполи в ядре. Электрический квадрупольный момент ядра;
• Спин ядра — полный момент импульса ядра в определенном состоянии. Оболочечная модель движения нуклонов в ядре;
• Орбитальные и спиновые моменты протона и нейтрона. Учет спин-орбитального взаимодействия в формировании ядерных оболочек. Магические числа в нейтронных и протонных одночастичных энергетических уровнях. Формирование спина ядра в однонуклонной модели. Квантовые числа n, l, j, m_j. Величины спинов четно-нечетных и нечетно-четных ядер с массовым числом А;
• Магнитный момент ядер. Ядерный магнетон. Магнитный момент протона, нейтрона. Гиромагнитные отношения для нейтрона и протона. Формирование статистического магнитного момента ядра в однонуклонной оболочечной модели ядра (модель Шмидта) для четно-нечетных и нечетно-четных ядер. Причина расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями магнитных моментов ядер.
3. Раздел ІІІ. Электростатическое сверхтонкое взаимодействие (СТВ)
• Энергия электростатического взаимодействия ядра с окружающими его электронами. Разложение энергии электростатического СТВ по мультипольным моментам ядра. Вклады монопольного, дипольного, квадрупольного и др. взаимодействий;
• Монопольное электростатическое взаимодействие. Изменение кулоновского взаимодействия за счет конечных размеров ядра. Контактное электростатическое взаимодействие Ферми за счет ns-электронов (n = 1,2,3,4) в области ядра. Изомерный (химический) энергетический сдвиг в ядерных энергетических состояниях;
• Электростатическое квадрупольное взаимодействие. Квадрупольный момент ядра. Цилиндрическая симметрия в распределении электрического заряда в ядре со спином больше единицы. Квадрупольный момент ядра во внутренней системе координат (системе главных осей);
• Градиент неоднородного электрического поля в системе главных осей. Параметр асимметрии;
• Энергия электрического квадрупольного взаимодействия ядра со спином больше единицы с неоднородным электрическим полем с осевой симметрией. Неэквидистантность расщепления энергетических уровней ядра за счет электростатического квадрупольного взаимодействия;
• Квадрупольный резонанс. Схема спектрометра по исследованию ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР). Спектры ЯКР. Определение градиента электрического поля в области ядра по спектрам ЯКР.
4. Раздел ІV. Магнитное сверхтонкое взаимодействие
• Магнитные мультипольные моменты ядра, порядок мультиполей (четного порядка и нечетного). Дипольный магнитный момент ядра, его связь со спином ядра для нечетно-четных и четно-нечетных ядер;
• Сверхтонкое магнитное поле на ядрах свободных атомов, ионов, молекулах а также на атомах, ионов и молекулах твердых тел.Магнитное квантовое число m ядра со спином l (ядерный Зееман эффект);
• Оценка величины магнитного поля и энергией СТВ взаимодействий. Методы измерения величин и направления магнитных полей СТВ взаимодействий (ЯГР, ЯМР Угловое распределение γ-излучения ядер);
• Гамильтониан СТВ взаимодействий при одновременном существовании сверхтонких магнитных полей в области ядра и электростатического квадрупольного взаимодействия. Аналитическое выражение для энергии сверхтонких взаимодействий в случае совпадения направления магнитного поля СТВ и направления градиентности электрического поля с аксиальной симметрией.
5. Раздел V. Источники сверхтонкого магнитного поля на ядре
• Сверхтонкое магнитное поле на ядре за счет орбитального движения электрона в свободном атоме или ионе. Влияние соседних атомов и ионов на сверхтонкое магнитное поле на ядре атома и иона в твердом теле. Эффективный орбитальный момент электронов в локализованной и делокализованных моделях. Явление «замораживания» орбитального момента. Радиальное распределение электронов атомов в твердом теле. Среднее значение радиуса движения электрона вокруг ядра. Орбитальный вклад в сверхтонкое магнитное поле на ядрах атомов твердого тела;
• Контактное (квантового происхождения) сверхтонкое магнитное поле Ферми на ядре, формируемое внутренними и внешними s-электронами атома в области ядра. Внутриатомное обменное взаимодействие типа ns-d (n = 1, 2, 3, 4, 5) и ns-f (n = 1–5) — источник формирования плотности неспаренных спинов ns оболочек в области ядра (спиновая поляризация ns оболочек). Направление сверхтонкого магнитного поля в области ядра относительно спина атома за счет внутренних и внешних (по отношению к d- f-оболочкам) s-электронов;
• Дипольное сверхтонкое магнитное поле на ядре. Его величина и вклады в дипольное сверхтонкое поле от орбитального магнитного момента атома, спинового магнитного момента спинов соседних атомов;
• Необходимые условия существования сверхтонких магнитных полей на ядрах. Магнитная релаксация магнитного момента атома. Ларморовская прецессия магнитного момента атома, результирующего магнитного момента ядра вокруг сверхтонкого магнитного поля в области ядра. Среднее по времени ларморовской прецессии ядра значение сверхтонкого магнитного поля на ядре;
• Конкретные данные о величинах сверхтонких магнитных полей на ядрах атомов переходных d- и f-элементов. Магнитные сверхтонкие поля для атомов непереходных элементов.
6. Раздел VI. Ядерный γ-резонанс (мессбауэровская спектроскопия)
• Величина энергий сверхтонких взаимодействий. Спектр γ-излучения ядер. Естественная ширина линий по величине энергии для возбужденного состояния ядра. Необходимые условия для разрешения сверхтонкой структуры гамма-илучения ядер;
• Испускание и поглощение γ-квантов свободными ядрами. Энергия отдачи ядра. Линейный эффект Доплера. Явление испускания и поглощения γ-квантов без потери энергии ядру в кристалле (эффект Мессбауэра). Вероятность эффекта Мессбауэра и ее связь с фононным спектром кристалла и температурой Дебая;
• Методика эксперимента по резонансному поглощению γ-квантов. Принципиальная схема мессбауэровского спектрометра. Форма линий испускания γ-квантов мессбауэровским источником. Вероятность поглощения мессбауэровских γ-квантов поглотителем. Мессбауровский спектр поглощения. Относительная вероятность эффекта Мессбауэра. Схема энергетических уровней мессбауэровского источника γ- квантов 57Со. Блок-схема ЯГР спектрометра на поглощение γ-квантов;
• Появление сверхтонкой структуры и энергетического сдвига γ-излучения ядер в ЯГР-спектре поглощения. Изомерный сдвиг. Квадрупольное расщепление. Магнитная сверхтонкая структура на примере ядер 57Fe. Комбинированное СТВ магнитного и квадрупольного взаимодействий. Извлечение параметров сверхтонких электрических и магнитных взаимодействий по мессбауэровским спектрам. Нахождение электронной плотности и градиента электрического поля в области ядра, локальных магнитных моментов атомов в исследуемых веществах.

Основная

• Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах. Избранные лекции, обзоры (под редакцией Е.А. Турова). М.: «Мир». 1970. 368 с.
• Н. Н. Делягин, Б.А. Комиссарова, А. Н. Крюкова, В. А. Парфенова, А. А. Сорокин. Сверхтонкие взаимодействия и ядерные излучения. М.: МГУ. 1985 г. 240 с.
• И. С. Шпинель. Резонанс гамма-лучей в кристаллах. М.: Наука. 1969. 407 с.

Дополнительная

• Химические применения мессбауэровской спектроскопии. (под ред. В. И. Гольданского, Л. И. Крижановского, В. В. Храпова). М.: «Мир».1970.
• К. Сликтер. Основы теории магнитного резонанса. М.: «Мир». 1981.