Автор: Григорий Колпаков, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова
Источник: http://www.msu.ru/science/articles/20131213.html
Международная команда физиков при участии теоретиков отдела электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер НИИ ядерной физики МГУ сумела впервые за всю длительную историю изучения фотоэффекта избавиться от существенного препятствия, которое очень затрудняло его исследование — ядерного магнитного момента. Статья об этой работе была опубликована в журнале Physical Review Letters.
При всей своей кажущейся простоте (за которую, кстати, Эйнштейн получил Нобелевскую премию) фотоэффект, заключающийся в том, что фотон, сталкиваясь с атомом, выбивает из него электрон, довольно сложен для изучения, особенно когда в атоме содержится много электронов. Подобно задаче многих тел в классической механике, эта квантовая многочастичная задача с большим трудом поддается теоретическому осмыслению. Именно поэтому главным героем здесь остается эксперимент. Однако и в нем есть сложности, мешающие вычленить из экспериментальных данных то, что относится собственно к атомному фотоэффекту, из того, что к нему не относится.
Не в последнюю очередь это касается так называемого углового (или магнитного) момента атомного ядра, который представляет собой квантовый аналог момента импульса в механике классической, то есть произведение импульса частицы (ее масса, умноженная на скорость) на ее расстояние до оси вращения. Каждый протон и каждый нейтрон в ядре имеют свой магнитный момент и их суммарная составляющая вовсе необязательно должна равняться нулю. Этот суммарный остаток зачастую драматическим образом влияет на то, как электроны, выбиваемые фотонами, будут вылетать из атома, хотя это влияние и называют «сверхтонким». Особенно ненулевой магнитный момент ядра путает всю картину, когда атом переведен в возбужденное состояние, а эта ситуация для физиков как раз очень интересна.
Команда семи физиков из Италии, Франции, Германии, России, о которой идет речь, выбрала для исследований ксенон, который физики часто используют, пытаясь разобраться в непростых дорогах атомного фотоэффекта. Он удобен для исследования: будучи инертным газом, он не загрязняет установку своими соединениями. Что было еще важнее — из всех инертных газов только у ксенона есть стабильные изотопы с нулевыми и ненулевыми магнитными моментами ядра. И наконец, ксенон интересен тем, что это атом с большим количеством электронов, который обладает сложной многоэлектронной динамикой.
От эксперимента требовалось разделить масс-спектрометром изотопы ксенона, каждый из них возбудить синхротронным излучением, одновременно расстреливая атомы лазерным пучком с изменяемой длиной волны, а затем регистрировать все вылетающие электроны, сортируя их по энергии и углу вылета.
Но если просто сказать, то сделать значительно труднее. Приготовление мишеней из возбужденных атомов синхротронным излучением стали проводить в конце 1990-х, но главная сложность заключалась в совмещении лазерного и синхротронного пучков. По словам московского теоретика А.Н. Грум-Гржимайло, принимавшего участие в исследовании, в мире сегодня эту проблему способны решить лишь несколько человек — и один из них, Михаэль Мейер из Германии (European XFEL GmbH), принял участие в описываемом эксперименте. Сами эксперименты проводились на уникальном пучке с изменяемой поляризацией, поддерживаемом группой Лорана Наона французского синхротрона SOLEIL.
На долю теоретиков из НИИЯФ МГУ — А.Н. Грум-Гржимайло и Е.В. Грызловой, лауреата почетной премии Л'Ореаль–ЮНЕСКО 2012 г. «Для женщин в науке» — досталась непростая задача из цикла «вы рисуйте, я потом, что непонятно, объясню». Надо было теоретически описать полученные результаты по фотоэффекту на возбужденном атоме ксенона, впервые освобожденном от влияния ядерного магнитного момента. Коллектив из 54 электронов легкой жизни и с самого начала не обещал, но последовательное уточнение предшествующих теоретических моделей в конце концов достигло успеха в описании собственно атомного фотоэффекта. Эта работа, как утверждает А.Н. Грум-Гржимайло, открывает дорогу целому классу исследований с «выключением» ядерного магнитного момента и сложных атомных процессов с селекцией изотопов, которые прежде даже не обсуждались.
Материал подготовлен отделом науки «Газеты.Ru» и МГУ в рамках сотрудничества с «Фестивалем науки»