Магниттік резонанс құбылысы

Парамагниттік атомның кванттық саны J деңгейі магнит өрісінде m_J кванттық санының мүмкін мәндері бойынша 2J+1 деңгейшеге жіктеледі. Осы жағдайда көрші деңгейшелер арасындағы аралық (1.4.10)-ға сәйкес мынаған тең болады:

, өйткені .

Егер осындай күйдегі атомға

(1.4.17)

шартын қанағаттандыратын жиілігі w электромагниттік толқын бағытталса, онда толқынның магниттік құраушысының әрекеті нәтижесінде (1.4.10) сұрыптау ережесіне сәйкес атомның бір деңгейіне жататын көрші деңгейшелері арасында кванттық ауысулар іске асады. Осы құбылыс электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) деп аталады.

Штарк эффекті

Атом шығаратын жарықтың жиілігі мен поляризациясына магнит өрісінің ғана емес, электр өрісінің де əсері болады. Электр өрісінде спектрлік сызықтардың жіктелуі Штарк эффектісі деп аталады. Бұл құбылысты сутегі спектрін зерттеу кезінде ең алғаш 1913 ж. неміс физигі И. Штарк (1874-1957) бақылаған. Мұны бақылау Зееман эффектісіне қарағанда көп күрделі, өйткені сəуле шығаратын газ (плазма) немесе бу, алып жатқан көлемде күшті электр өрісін жасау қиын. Осы қиындықты жеңу үшін əдетте былай жасайды. Разрядтық түтіктің катодына жасалған жіңішке каналдар арқылы газ разрядынан (3.6-сурет) K катод пен B пластина аралығына, яғни күшті электр өрісі бар кеңістікке, оң иондар жəне де қоздырылған атомдар шоғы түсіріледі ("каналдық сəулелер")

3.6-сурет

B-K аралығынан, осында газ атомдарының еркін жолының ұзындығы жеткілікті үлкен болуы үшін газға қосымша сору жүргізіледі. Электр өрісінің кернеулігі əдетте 10⁷-10⁸ B/м болады.

Атомға электр өрісі əсер етіп, оны поляризациялайды, яғни оң зарядталған ауыр ядроға қатысты электрондарды ығыстырады. Атомда өрісін туғызған (индукцияланған) d_инд ()дипольдық момент пайда болады;ол өріспенəсерлесіп, жүйе энергиясын өзгертеді. Дипольдық моменттің өзі өріске тəуелді болғандықтан, энергияға E электрлік қосымша өріс кернеулігінің квадратық функциясы болуы тиіс (Штарктың квадраттық эффектісі). Классикалық электрондық теория спектрлік сызықтардың жіктелуін емес, бұлардың ² -қа пропорционал ығысуын ғана түсіндіруге жарайды. Ал Штарктың квадраттық эффектісі көп электронды атомдардың көпшілігі үшін тəжірибелерде байқалады. Мысал ретінде 3.7-суретте калийдің дублет сызықтарының (4s²S1/2→5p²P 1/2 жəне 4s²S1/2→5p²P3/2) ығысуы электр өрісі кернеулігі квадратына тəуелділігі келтірілген. 3.8-суретте сутегі атомы Бальмер сериясының H _a - сызығы шығарылуына жауапты атомдық термдердің Штарк эффектісі жағдайында жіктелу сипаты көрсетілген.

3.7-сурет

3.8-сурет

Лазерлер

ХХ ғасырдың екiншi жартысындағы физиканың iрi табыстарының бiрi оптикалық кванттық генератор, немесе басқаша айтқанда лазердiң ойлап табылуы. "Лазер" деген сөз ағылшынның "Light Amplificatoin by Stimulated Emission of Radiation" деген сөйлемiнiң алғашқы әрiптерiнен алынған (LASER). Бұл "мәжбүрленген сәуле шашудың көмегiмен жарықты күшейту" дегендi бiлдiредi. Мәжбүрленген сәуле шығару үрдiсi лазелердiң физикалық негiзi болып табылады.

1916 жылы А. Эйнштейін атомдағы электрон жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгісіне өткендегі шығатын сәуле сыртқы электромагниттік өрістің әсерінен де болуы мүмкін деген болжам ұсынды. Осындай сәуле шығаруды еріксіз немесе индукциялық сәуле шығару деп атайды.

Егер сыртқы өрiстiң жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен сәйкес келсе, онда резонанстық эффекттiң салдарынан мәжбүрленген сәуле шығарудың ықтималдылығы күрт өседi. Яғни, жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен дәл келетiн фотон осы атомның электронымен әсерлескен кезде ол атом қозған күйден төменгi энергетикалық күйге өтедi де бiр фотонның қасында жиiлiгi тура сондай екiншi фотон пайда болады. Бұл үрдiс бұдан әрi басқа атомдармен де қайталанып тасқынды түрде өтедi де жарық күрт күшейедi.

Еріксіз сәуле шығарудың ерекшелігі – оның монохроматтылығы және когеренттілігі. Осы қасиет лазерлік қондырғылардың негізіне алынған. Индукциялық сәуле шығару нәтижесінде алынған жаңа фотон орто арқылы өтетін жарықты күшейтеді.

Әдетте жарық зат арқылы өткен кезде заттағы негiзгi күйде тұрған атомдар жарықты жұтады да, қозған атомдар өзiнен мәжбүрленген сәуле шығарады. Сондықтан жарық зат арқылы өткен кезде күшею үшiн заттағы атомдардың тең жартысынан көбi қозған күйде болуы тиiс. Заттардың мұндай күйi - деңгейлерi инверсиялы қоныстанған күй деп аталады (inversio – латынша «төңкерiлген» деген ұғымды бiлдiредi). Атомдар әдетте қозған күйде өте аз, 10^-9 – 10^-7 с уақыт ғана болатындықтан деңгейлерi инверсиялы қоныстанған күйлердi алу оңай шаруа емес. Бiрақ кейбiр атомдардың қозған күйде ұзақ, шамамен 10^-3 с бола алатын күйлерi болады. Ондай күйлердi метатұрақты күйлер деп атайды. Осындай метатұрақты күйлерi бар заттарды жарықты күшейтуге қолданады. Алғашқы лазерлер ретiнде рубиннiң кристаллдары пайдаланылды. Ондағы атомдарды қоздыру үшiн рубин бiлiктi сыртынан импульстi түрде жұмыс iстейтiн, спираль шаммен орады. Шам жарқ етiп жанған кездегi шыққан энергияны рубин атомдары жұтып, метатұрақты күйлерге өтедi. Атомдарды бұлай қоздыру оларды үрлеу деп аталады. Бүкiл қозған атомдардың сәуле шығаруы бар болғаны 10^-8 – 10^-10 с уақытқа созылады. Осы кездегi жарық сәулесiнiң қуаты өте үлкен 10⁹ Вт-қа дейiн жетуi мүмкiн. Бұл үлкен электростанциялардың қуатынан да үлкен.

Лазер сәулесiнiң негiзгi қасиеттерi оның аса жоғарғы монохроматтылығы, шашырамайтын сәуле түрiнде алу мүмкiндiгi және аса қуаттылығы.

Лазер – құрылғы. Ол жылулық, химиялық, электр энергия, сын элетромагниттік өрістің энергиясына – лазер сәулесіне айналдырады. Осындай түрлену нәтижесінде алынған лазерлік энергияның сапасы жоғары болады. Лазерлік энергияның сапасы күшті шоғырлану жоғарылығымен және едәуір ара қашықтыққа жеткізу мүмкіндігімен анықталады. Лазер сәулесін диаметрі жарық толқынының ұзындығы шамасында болатын өте кішкентай саңылауға фокустап, тығыздығы осы күнгі ядролық жарылыс энергиясының тығыздығынан асып түсетін энергия алуға болады. Лазерлік сәуле шығару көмегімен температураның, қысымның, магнит индукциясының ең жоғарғы мәндерін алу мүмкіндігі туды. Лазер сәулесі керемет ауқымды ақпарат тасығыш болғандықтан ақпаратты өңдеумен жеткізудің ең жаңа принципті құралы болып табылады.

Бүгiнгi күнде кристаллдардағы лазерден өзгеше, газдағы және сұйықтардағы (бояғыштардағы) лазерлер жасалған. Бояғыштағы лазерлердiң ерекшелiгi, олардың шығаратын сәулелерiнiң жиiлiгiн кең ауқымда өзгертудiң мүмкiндiгi бар.

Лазерлер бүгiнгi күнде сан алуан салада қолданылады. Олар заттарды өңдеу, медицина және голография. Монохроматты когеренттi лазерлiк сәуленiң көмегiмен волоконды оптикада кабельдiк, телефондық және теледидарлық байланысты жүзеге асыруға болады. Тасымалдаушы жиiлiктiң аса жоғары (10¹³ – 10¹⁴ Гц) болуы бiр жарыққұбыры арқылы миллиардқа дейiнгi музыкалық хабарды немесе миллионға дейiнгi телехабарды бiрмезгiлде тасымалдауға мүмкiндiк бередi. Лазерлер ең қуатты жарық көздері болып табылады. Уақыттың қысқа мерзімі ішінде (10^-13 с аралығы) спектрдің жіңішке аралығындағы сәуле шығару қуат 10¹⁷ ВТ/см², ал күннің сәуле шығару қуаты тек 7*10³ВТ/см²

Лазердің мынадай түрлері бар: рубин лазері, газ лазері, үздіксіз әсер ететін жартылай өткізгішті лазерлер, өте қуатты өздіксіз әсер ететін газодинамикалық лазерлер т.б.

Лазерлер сәулесінің зор қуаты ваккумдағы материалдардың кептіру, пісіру және т.б. үшін пайдаланылады. Лазерлік сәуле жәрдемімен хирургиялық операция жасауға, мысалы, көз түбінен ажырап кеткен торды «дәнекерлеуге», лазер сәулелерінің когерентігін пайдаланып, денелердің көлемдік кескіндерін алуға болады.

Сонымен бірге лазерлік сәулелермен атомдарды немесе молкеулаларды қоздыра отырып, кәдімгі жағдайларда жүзеге аспайтын химиялық реакцияларды жүргүзуге болады.

Бұл күндерi лазерлiк термоядролық синтездi жүзеге асыру мүмкiндiктерi зерттелуде.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: