27 мая 2021

В Петербургском институте ядерной физики обсудили сверхтонкую аномалию в спектрах атомов

Спектр сверхтонкой структуры одного из изомеров золота. Расстояние между группами пиков соответствует сверхтонкому расщеплению основного атомного уровня, а между пиками в группе - расщеплению возбужденного уровня

В мае 2021 года на Семинаре Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ ведущий научный сотрудник Лаборатории короткоживущих ядер ОФВЭ Анатолий Ефимович Барзах рассказал об изучении сверхтонкой аномалии в спектрах атомов.

Сверхтонким расщеплением называют расщепление оптических линий атома, связанное с взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем, наводимым электронами электронной оболочки. Этот эффект присутствует всегда. Например, на рисунке 1 показано такое расщепление 6s 2S1/2 и 6p 2P1/2уровней для одного из изомеров ядра золота. Относительные сдвиги частоты атомных переходов позволяют получить так называемую постоянную сверхтонкой структуры (a).

Если бы ядра были точечными объектами, то для всех атомов, образованных изотопами ядер, т.е. ядрами с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов, отношение aI/μ, где I спин ядра, а μ его магнитный момент, должно быть одинаковым. Однако атомные ядра – объекты конечных размеров, и это правило не соблюдается. Это явление и называют аномалией сверхтонкой структуры или сверхтонкой аномалией. Чтобы учесть конечные размеры ядра, вводятся поправки, обусловленные пространственными распределениями электрического заряда (поправка Брейта-Розенталя, δА) и магнитного момента ядра (поправка Бора-Вайскопфа, εA). Тогда выражение для постоянной сверхтонкой структуры записывается в виде: a = aточечное(1+εA)(1+δА).

Следует заметить, что для тяжелых ядер относительная поправка Брейта-Розенталя невелика. Например, для золота она составляет величину порядка 10–4. В то же время поправка Бора-Вайскопфа для золота находится в районе 10–2 – 10–1.

Изучая сверхтонкие аномалии, мы получаем доступ к распределению магнитного момента внутри ядер – одной из фундаментальных характеристик этих квантовых объектов.

Теория сверхтонкой аномалии была разработана Бором и Вайскопфом почти сразу после открытия явления. Они вывели формулу для вычисления εA в довольно грубом (одночастичном) подходе. Долгое время, в связи с отсутствием значительного прогресса в экспериментальных исследованиях, физики довольствовались этим приближением. Однако в последние время, когда появился новый объем экспериментальной информации, интерес возродился. В частности, в нашем институте этим вопросом занимаются сразу две теоретические группы: группа Леонида Скрипникова и Михаила Козлова.

Зачем же нужно продолжать исследовать сверхтонкую магнитную аномалию? Во-первых, чтобы лучше измерять магнитные моменты ядер, ведь знание величины сверхтонкой аномалии является главным источником экспериментальной погрешности таких исследований. Во-вторых, сама по себе сверхтонкая аномалия несет важнейшую информацию о распределении намагниченности ядра, то есть, о его магнитной структуре. И, наконец, этот феномен оказался уникальной точкой, в которой пересекаются интересы атомной, ядерной физики, а также физики элементарных частиц. Для того, чтобы искать новые физические эффекты, такие как несохранение СР-четности в атомах и т.п., нужны надежные атомные расчеты, а сверхтонкая аномалия также является главным источником погрешности для них. 

Сотрудники Лаборатории короткоживущих ядер занимаются экспериментальным изучением сверхтонкой аномалии. Ими был использован метод измерения дифференциальной магнитной аномалии – разницы аномалий для различных уровней (например, для 6p1/2 и 7s1/2). Используя надежные теоретические расчеты, можно пересчитать дифференциальную магнитную аномалию в относительную и уточнить магнитные моменты ядер. Следует отметить, что, хотя этот метод и был предложен еще в 60-х годах прошлого века, но вскоре был прочно забыт и фактически был заново открыт в работах сотрудников ОФВЭ. При помощи этого метода удалось более надежно измерить магнитные моменты изотопов золота, причем даже тех, которые далеко расположены от дорожки стабильности. Конечно, многие из этих магнитных моментов измерялись и ранее, однако при их извлечении использовался теоретический подход с фактически неизвестной погрешностью. Метод на основе измерения дифференциальной магнитной аномалии также содержит теоретические расчеты, но связанные с ними неопределённости надежно контролируются, а главное, входят в конечный результат. Результаты этих экспериментов опубликованы в ведущих научных журналах.

Помимо измерения магнитных моментов, эксперимент позволил впервые получить данные о сверхтонкой аномалии для длинной цепочки изотопов, вплоть до ядер, удаленных от стабильности более чем на 20 массовых единиц (напомним, что ранее аномалия была измерена в основном только для стабильных и близких к стабильности ядер). При этом среди исследованных изотопов золота имеются ядра совершенно разной структуры (сферические, деформированные, неаксиальные и т. д.), что открывает возможности для изучения влияния различных факторов на распределение намагниченности в ядре.

Петербургский (ранее - Ленинградский) институт ядерной физики имени Б.П.Константинова (ПИЯФ) был основан в 1956 году как филиал знаменитого Ленинградского физтеха и в 1971 году стал уже самостоятельным институтом, носящим имя своего основателя. В институте проводятся фундаментальные научные исследования в области физики элементарных частиц и высоких энергий, ядерной физики, физики конденсированных сред, молекулярной и радиационной биофизики. Кроме того, ведутся исследования в прикладных областях, где применение самых передовых научных решений приводит к принципиально новым разработкам в области приборостроения, медицины и экологии. В институте действуют три базовых экспериментальных установки - реакторы ПИК и ВВР-М и протонный ускоритель. В настоящее время ПИЯФ организационно подчинён Курчатовскому институту