Сверхтонкие взаимодействия взаимодействия в конденсированных системах
 +7 (495) 939-20-03
 kofms@phys.msu.ru

Спецкурсы

Сверхтонкие взаимодействия взаимодействия в конденсированных системах

Введите что-нибудь для фильтрации.

Лектор

Сержан Данилович Антипов

Доцент, к.ф.-м.н.

Аннотация

Исследования сверхтонких взаимодействий (СТВ) в конденсированных системах дают информацию о локальном распределении зарядовой и спиновой плотности в твердых телах (кристаллических, аморфных, нанокристаллических) и тем самым позволяет изучить электронную структуру компонентов вещества (атомов, молекул, кластеров). Это связано с высокой точностью и чувствительностью методов исследования сверхтонких взаимодействий.

В курсе лекций рассматриваются основы физики сверхтонких взаимодействий, два экспериментальных метода исследований СТВ и получение с их помощью информации об электронной и магнитной структуре исследуемого вещества.

Программа курса

  1. Электронные взаимодействия между мультипольными моментами ядерной подсистемы и неоднородностями в распределении электромагнитных полей, создаваемых электронной подсистемой
    • Происхождение названия «сверхтонкие взаимодействия» (СТВ).
    • Деление конденсированной системы на электронную и ядерную подсистемы на примере сплава типа АВ.
    • 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 с системе АВ.
  2. Основные характеристики ядерной подсистемы
    1. Нуклонная структура ядер. Обменные, электромагнитные, слабые взаимодействия между нуклонами. Связанные состояния ядер. Основные и возбужденные состояния ядер.
    2. 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, mj. 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 статического 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. 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 (ns = 1, 2, 3, 4) в области ядра. Изомерный (химический) 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. Магнитное сверхтонкое взаимодействие
    • Магнитные мультипольные моменты ядра, порядок мультиполей (четного порядка и нечетного). Дипольный магнитный момент ядра, его связь со спином ядра для четно-нечетных и нечетно-четных ядер.
    • Сверхтонкое магнитное поле на ядрах свободных атомов, ионов, молекулах, а также на атомах, ионах 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 направлений магнитных полей СТВ взаимодействий (ЯГР, ЯМР, Угловое распределение g-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 градиента электрического поля с аксиальной симметрией.
  5. 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 ns спинов 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- и 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 атома, результирующего магнитного момента спинов соседних атомов.
    • Необходимые условия существования сверхтонких магнитных полей на ядрах. Магнитная релаксация магнитного момента атома. Ларморовская прецессия 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. 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-излучения ядер.
    • Испускание и поглощение γ-квантов свободными ядрами. Энергия отдачи ядра. Линейный эффект Доплера. Явления испускания и поглощения γ-квантов без потери энергии ядра в кристалле (эффект Мессбауэра). Вероятность эффекта Мессбауэра и её связь с фононным спектром кристалла и температурой Дебая.
    • Методика эксперимента по резонансному поглощению γ-квантов. Принципиальная схема Мессбауэровской спектроскопии. Форма линий испускания γ-квантов Мессбауэровским источником. Вероятность поглощения g-квантов поглотителем. Мессбауэровский спектр поглощения. Относительная вероятность эффекта Мессбауэра. Схема энергетических уровней Мессбауэровского источника γ-квантов 57Со. Блок-схема ЯГР спектрометра на поглощении 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. Определение 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.

Литература

  1. Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах. Избранные лекции, обзоры (под редакцией Е.А. Турова). М.: «Мир». 1970. 368 с.
  2. 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.
  3. И. С. Шпинель. Резонанс гамма-лучей в кристаллах. М.: Наука. 1969. 407 с.

Другие спецкурсы программы