До появления настоящей монографии Таунса и Шавлова не существовало систематического руководства по радиоспектроскопии газов. Вышедшая в 1952 г. кштга Горди, Смита и Трамбаруло «Радиоспектроскопия» (русский перевод, Гостехиздат, 1955) по существу представляла собой обзор выполненных экспериментальных работ без достаточно полного изложения теории. Небольшая по объему книга Стрспдберга «Радиоспектроскопия» (русский перевод, ИЛ, 1955) отчасти восполнила этот пробел, но ввиду краткости изложения не может рассматриваться как систематическое руководство по радиоспектроскопии.
Таким образом, монография Таунса и Шавлова является первым систематическим руководством по радиоспектроскопии газов, в которой последовательно и полно изложена как теория вращательных спектров молекул, так и техника радиоспектроскопичссклх измерений.
Гл. 1—13 посвящены теории радиоспектроскопии газов. В этих! главах подробно рассмотрены вращательные и инверсионные спектры молекул, их тонкая и сверхтонкая структуры, форма л ширина линий поглощения.
К сожалению, недостаточно подробно рассмотрен важный вопрос о внутреннем вращении в молекулах, которому в работах последних лет уделяется все большее внимание.
Гл. 14—17 посвящены методам радиоспектроскопических исследований, способам генерации сантиметровых и миллиметровых волн и технике измерений частоты. Надо отметить также явно недостаточное внимание, которое авторы уделили вопросам применения радиоспектроскопических методов.
Около одной трети объема книги занимают справочные таблицы и библиография, представляющие особый интерес для яиц, непосредственно работающих в области радиоспектроскопии. За три года, прошедшие с момента выхода в свет американского издания книги, появилось значительное число новых работ и возникла необходимость дополнения таблиц и библиографии. В связи с этим редакторами русско/о перевода монографии составлены список литературы по радиоспектроскопии газов за 1955—1957 гг. и дополнительная таблица молекулярных постоянных по данным 1955—1957 гг. ., Кроме того, в основную библиографию включено около 100 статей и книг советских авторов, вышедших до 1955 г.
Быстрое развитие за последние 2—3 года нового направления радиоспектроскопии (работ в области молекулярных генераторов и усилителей), которое, естественно, никак не могло быть достаточно полно освещено авторами книги, побудило редакторов составить дополнительную библиографию по квантовым усилителям и генераторам. Выделение этой библиографии в особый раздел оправдывается, по мнению редакторов, тем, что соответствующая литература охватывает не только вопросы радиоспектроскопии газов, но и целый ряд вопросов физики твердого тела.
Кроме того, редакторы перевода сочли необходимым включить в приложения новые таблицы квадратов матричных элементов дипольного момента, опубликованные Эрландсопом в 1956 г. (Приложение IVa).
Таким образом, предлагаемый перевод книги Таунса и Шавлова является систематическим руководством по теории и эксперименту радиоспектроскопии газов п содержит достаточно полный материал по данным вплоть до 1958 г.
Перевод книги выполнен В. Г. Веселаго [гл. 3, 4, 8, 9, И, 12 <§ 6—10), 17 и Приложения I—VII], В. С. Зуевым (гл. 10, 13, 16, 18) и К. К. Свидзинским [гл. 1, 2, 5—-7, 12 (§ 1—5), 14, 15 и библиография].
Н. Ирисова. , Б. Осипов.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
Настоящая книга посвящается сравнительно новой области физики — радиоспектроскопии газов, которая берет свое начало с первых измерений диэлектрической постоянной на высоких частотах, или, более точно, с опыта по измерению поглощения сантиметровых волн в газообразном аммиаке, выполненного Клитоном п Вильямсом в 1933 г. Однако уверенные и точные измерения спектров в радиодиапазопе начали производиться только «осле создания современной сверхвысокочастотной техники, а также после того, как в 1946 г. удалось достичь большого разрешения в спектроскопах, работающих при низких давлениях газов. После 1946 г, радиоспектроскопия начала бурно развиваться, и в настоящее время радиоспектр о скоииче с кие исследования дали большое количество ценной информации в самых различных областях физики и химии. Это относится к ядерной физике, структурам молекул, химической кинетике, квантовой электродинамике, астрономии.'Целью данной книги является систематический и достаточно полный обзор теории полученных до настоящего времени экспериментальных данных, а также экспериментальной техники, с тем чтобы •сделать эти сведения более доступными для студентов, будущих научных сотрудников, и для всех, кто интересуется какой-либо из практических проблем, к которым можно применить радиоспектроскопию.
Бурное развитие радиоспектроскопии делает книгу, посвященную этой области науки, крайне необходимой для того, чтобы согласовать и систематизировать большое количество работ и полученных результатов, однако создание такой книги сопряжено со значительными трудностями, ибо идеи и техника эксперимента чрезвычайно быстро развиваются. В настоящее время радиоспектроскопия достигла такого уровня, что можно попытаться создать книгу, содержащую результаты работ как по уже определившимся, так и по развивающимся направлениям.
Большинство сверхвысокочастотных спектров связано с молекулами, хотя известны также и некоторые важные атомные спектры. До сих пор молекулы обычно исследовались с помощью инфракрасных спектров; однако другой диапазон частот, большая разрешающая сила и высокая точность, доступные радиоспектроскопии, сделали ее пригодной для изучения явлений совершенно иного типа, таких, как сверхтонкая структура, эффекты Штарка и Зеемана, уширение линий вследствие давления. В настоящей книге особенно подробно рассмотрены те разделы теории молекулярных спектров, которые не могли быть достаточно точно проверены с помощью прежних методов спектроскопии или же были разработаны исследователями, специализировавшимися в области радиоспектроскопии. Кроме того, обсуждается вопрос, как получать информацию о свойствах ядер и молекул с помощью интерпретации молекулярных спектров.
В книге дан достаточно полный обзор сверхвысокочастоттюй техники, но подробно рассматриваются только те ее разделы, которые нашли особенно широкое применение пли представляют особый интерес для радиоспектре-
с копии. Для более полного ознакомления с обычной техникой сверхвысоких частот читатель может обратиться к целому ряду превосходных книг, появившихся в последние годы. Особое внимание мы обращали на то, чтобы изложить не только основы теории и особенности различных типов спектроскопов, но и некоторые конструктивные детали и рабочие характеристики, которые могут оказаться полезными для сотрудника, поставленного перед необходимостью конструирования подобного рода прибора и работы с ним. Настоящая книга должна рассматриваться не как учебник, а скорее как своего рода справочник, предназначенный как для студентов, интересующихся каким-либо одним разделом радиоспектроскопии, так и для всех тех, кто занимается исследованиями в этой области. Мы стремились излагать материал критически и в определенной, системе, по возможности просто и при этом ограничиться одпил! томом. Мы надеемся, что простота в изложении и математическом аппарате (теория групп не используется) сделает большую часть рассуждений доступной для лиц, обладающих лишь начальными знаниями в квантовой механике и атомной физике.
Значительные усилия были направлены на то, чтобы сделать эту книгу удобной для использования в качестве справочника. Поэтому хотя весь материал излагается последовательно, мы старались, насколько это возможно, сделать каждую главу и параграф независимыми .друг от друга. Так, например, многие обозначения и выражения часто повторяются с тем, чтобы уменьшить число ссылок па предыдущие главы книги. В приложениях содержится большинство из тех данных, которые необходимы для анализа и интерпретации сверхвысокочастотпых спектров. Там же находится сводка ядерных и молекулярных постоянных, включая все данные, полученные методами радиоспектроскопии. Приводится довольно полная библиография. Приложения включают данные, опубликованные до 1 января 1955 г. Сверхвысокочастотные спектры твердых тел и другие смежные разделы спектроскопии в этой книге не рассматривались из-за недостатка места. Однако большая часть приведенного в книге материала будет полезна и для тех, кто интересуется этими разделами сиерхвысокочастотпой и радиочастотной спектроскопии.
Мы благодарны многим лицам, работающим в области радиофизики, за предоставленные данные, критические замечания и помощь в работе. Полезные замечания к различным частям рукописи сделали следующие лица: Андерсон, Бенедикт, Берингер, Буркхард, Коле, Дейли, Фол и, Фрош, Юз, Джен, Джонсон, Кинг, Лайд, Лайонс, Нетеркот, Новик, Смит, Стрепд-борг и Вильсон. Кроме того, мы хотим выразить благодарность многим студентам и сотрудникам Колумбийской лаборатории излучений за исправление ошибок и плодотворную дискуссию.
Приложения и таблицы были составлены благодаря коллективным усилиям многих лиц, которым мы с удовольствием выражаем свою благодарность. Обширные таблицы Приложения IV были составлеггы Тернером и Рейтвизнером. Клейн и Дусманис проделали большую работу по составлению библиографии и Приложения Vf соответственно. Амодт, Лотшпсйх, Макдермотт и Герцог произвели многие вычисления в Приложениях. Крейчмен помог при составлении Приложения Ш, а также при проверке-многих формул и выводов.
Чарльз Таунс. Артур Шавлов^
ГЛАВЛЕНИЕ
II р е д и с л о в и е р е д а к т о р о в по р е в о д а
Предисловие авторов ........
Список принятых по о л н л ч с н и ii . . . Введение...................
Глава 1. Вращательные спектры двухатомных молекул
§ 1. Жесткий волчок
2. Энергетические уровни двухатомной молекул i,r ,
§ 3. Измерения масс ..................
5 4. Интенсивности линий поглощения и правила отбора
Глава 2. Линейные многоатомные молекулы .................
§ 1. Чисто вращательные спектр],!; общие соображения ........
^ Ч. 2 -удвоение .............................
§ о. Взаимодействии между колебательными состояниями -«резонанс Ферми» . . " ............................
^ /I. Моменты инерции и междуядерные расстояния ...........
§ Л. Определение масс ядер .......................
Глава 3. Молекулы типа симметричного полчка ...............
§ 1. Введение и общая характеристика вращательного спектра ....
§ 2. Волновые функции симметричного волчка ..............
§ 3. Симметрия и инверсия ...... ' .................
§ /I. Влияние ядерного спина и статистики ...............
§ 5. Интенсивности переходов для молекул типа симметричного волчка . § 6. Центробежное возмущение для симметричного волчка ........
§ 7. Вращательцо-колебательное взаимодействие н /-удвоение в молекулах типа симметричного волчка ..................
| 8. Дицольш.ш момент, вызванный вырожденными колебаниями .....
Глава I. Молекулы типа асимметричного волчка............
§ 1. Уровни энергии асимметричного и слегка асимметричного волчков
§ 2. Свойства симметрии и интенсивности переходов.........
§ 3. Центробежное возмущение...................
§ 4. Структуры молекул типа асимметричного волчка........
Глава 5. Атомные спектры
Атом водорода ....................
Атомы с несколькими электронами..........
Тонкая структура, спин электрона и векторная модель
Атом с несколькими валентными электронами.....
Правила отбора и интенсивность переходов ......
G. Более полная теория тонкой структуры.......
7. Сверхтонкая структура ................
8. Взаимное проникновение орбит............
9. Эффект У османа в атомах..............
$ 10. Рад иос пс к трос конические исследования сверхтонкой структуры атомов ................................
§ 11. Сверхвысокочастотные спектры астрономических объектов .....
Гллея 6. Квадрупольпая сверхтонкая структуры молекулярных спектров
| 1. Введение , . . ...........................
| 2. Квацруполъная сверхтонкая структура в линейных молекулах . . .
§ 3. Квадрупольная сверхтонкая структура в молекулах тина симметричного волчка ............................
$ 4. Квадрупольныо эффекты второго порядка.............
$ 5. Молекулы типа асимметричного волчка...............
§ G. Сверхтонкая структура, обусловленная несколькими ядрами одной молекулы .............................
Глава 7. Молекулы с по ранным нулю электронным моментом количества
движении .............................
§ 1. Введение.......................-......
| 2. Случаи связи по Гунду . v . ....................
| 3. Вращательные энергии ./......................
§ f\. Разрыв спиновой связи .••......................
§ 5. Л-удвоение.............................
SJ 6. Нелинейные полок улы.......................
140 141
144 144 145
?. Магнитная сверхтонкая структура и молекулярных спектрах . . .
1. Введение..............................
2. Схемы связи для магнитной сверхтонкой структуры.........
3. Примеры магнитной сверхтонкой структуры в молекулах, обладающих электронным моментом количества движения..........
4. Нелинейные молекулы.......................
5. Спин-спиновое взаимодействие между ядрами............
6. Влияние сверхтонкой структуры на А-удвоение (сверхтонкое удвоение) ................................
7. Электронный момент количества движения молекул в 1Х-состоянии и его влияние на энергию молекулы................
8. Влияний движения электронов на вращение молекулы ........
!). Магнитное сверхтонкое {I • .^-взаимодействие в молекулах, находя-
щихся в
состоянии
§ 10. Магнитная сверхтопкая структура для нелинейных молекул, находящихся в ^-состоянии.........................
Глава 9. Свянь постоянных сверхтонкой структуры со строением молекул и моментами ядер.......,..................
§ 1. Вводные замечания о квадруполыюй связи.............
§ 2. Квадрунольная связь в атомах...................
§ 3. Квадрупольная свя;;ъ в молекулах. Общие соображения......
§ 4. Метод расчета величины q для молекулы..............
§ 5. Кзадрупольная связь в асимметричных молекулах.........
§ 6, Интерпретация постоянных магнитной сверхтонко!! структуры ....
Гланп 10. Эффект Штарка в молекулярных спектрах............
§ 1. Введение..............................
2. Квантовомсханическип расчет энергии штарковсного взаимодействия в статических полях.........................
3. Относи/тел ТзН а я интенсивность штарковских компонент и идентификация переходов по картине их штарковского расщепления......
4. Эффект Штарка при наличия сверхтонкой структуры........
Ti. Определение дпполышх моментов молекул.............
§ 6. Запрещенные переходы. Изменение интенсивности, обусловленное эффектом Штарка..........................
§ 7. Поляризация молекул под воздействием электрических полей ....
§ 8. Эффект Штарка в быстро меняющихся полях (нерезонансный случай)
§ 9. Эффект Штарка в быстро меняющихся полях. Резонансная модуляция .................................
Глава, 11. Эффект Зеемаия л молекулярных спектрах.............
§ 1. Введение..............................
•3 2. Эффект Зсемана в слабых полях для молекул, имеющих отличный от
нуля электронный момент количества движения........... 2Г>9
§ 3. Особенности зеемановского расщепления спектральных линии .... 261
§ 4. Промежуточная свянь и средние поля................ 263
§ 5. Эффект Зеемана при наличии сверхтонкой структуры........ 264
$ 6. Эффект Зеемана в обычных молекулах (^-состояние)........ 264
| 7, Комбинированный эффект Штарк-а—Зеемана............. 269
sj 8. Переходы между зсемановскими компонентами........... 270
Глава J2. Спектр аммиака и заторможенные движения............
1. Введение..............................
2. Инверсионный спектр МП,.....................
Инверсия других симметричных гидридов..............
Тонкая структура инверсионного спектра аммиака, обусловленная вращательно-колебательными взаимодействиями..........
§ 5. Асимметричные формы молекулы аммиака..............
§ 6. Внутреннее заторможенное вращение в молекулах типа симметричного волчка ...................... ......
§ 7. Высота потенциальных барьеров..................
§ 8. Внутреннее заторможенное вращение в молекулах типа асимметричного волчка ..................... ......
§ 0. Правила отбора.........,................
| 10. Примеры внутреннего заторможенного вращения Б асимметричных волчках . ,................-. ...........
Глава 13. Форма и ширина спектральных линии...............
| 1. Естественная ширина линии.....,......-,,.....
§ 2. Эффект Допнлера..........................
§ 3. Уширение вследствие давления...................
§ 4. Абсолютная, или интегральная, интенсивность линии........
§ 5. Сравнение теоретической формы линии Ван-Флска—Вапскоифа
с экспериментом.........................
§ 6. Ущпрение вследствие давления и межмолекулярные силы......
7. Сравнение методов изучения уширении вследствие давления.....
8. Теория столкновений. Работы Андерсона............. • •
Ч. Сравнение теории с экспериментом .................
10. Уширение вследствие взаимодействия между одинаковыми линейными молекулами.............................
11. Ширина линий кислорода ......................
12. Зависимость ширины линии от температуры.............
13. Влияние температуры на интенсивность линий ...........
14. Высокие давления..........................
15. Эффект насыщения.........................
16. Уширение линии вследствие столкновений со стенками.......
17. Сверхвысокочастотное поглощение в неполярных газах.......
Глава 14. Техника сверхвысоких частот и элементы сверхшлеокочастотных цепе»................................ .
§ 1. Введение. Электромагнитные поля и волны .
§ 2. Волноводы .................
§ 3. Затухание..................
§ 4. Отраженные волны з< волноводах......
§ 5. Объемные резонаторы............
§ 6. Связь резонаторов с волноводом .......
§ 7. Направленные ответвитсли..........
§ 8. Аттенюаторы................
§ 9, Соединении в волноводпых системах.....
§ 10. Вакуумные окна ...............
§ 11. Поршни...................
g 12. Другие типы волиоводньтх устройств.....
§ 13. Применение ферритов р технике сверхвысоких
§ 14. Генераторы сантиметровых волн.........
§ 15. Клистроны . . . . ;..............
§ К). Магнетроны...................
§ 17. Лампа бегущей волны и лампа с обратной волной
§ 18. Детекторы....................
Список книг по сверхшлсокочастотшш технике .
Глава 15. Радиоспектров коны.........., . ............. 368
§ 1. Общие принципы и предельная чувствительность.......... 368
§ 2. Частотная модуляция генератора.................. 372
§ 3. Молекулярная модуляция электрическим полем........... .'574
§ 4. Резонансные усилители....................... 1376
§ 5. Спектроскопы с молекулярной модуляцией мапштиьш полем .... 379
6. Выбор частоты модуляции для спектроскопов............ .'579
7. Супергетеродииный прием..................... 380
8. Мостовые спектроскопы....................... 380
§ 9. Спектроскопы с высокой разрешающей способностью........ 38]
§ К). Некоторые спектроскопы с высокой разрешающей способностью . . . .383
§ 11. Спектроскопы с объемными разопаторами.............. 389
§ 12. Большие пен встраиваемые разонаторы ............... 393
§ 13. Спектроскопы для изучении эффекта Зеемана ........... 394
§ 14. Спектроскопы для высоких и низких температур.......... 396
§ 15. Спектроскопы для измерения интенсивности и формы линий .... 398
§ 16. Наполнение газами ячеек радиоспектроскопии ........... 399
§ 17. Спектроскопы дли свободных радикалов . ,............ 400
§ J8. Радиометры ............................ 401
Глава 16. Миллиметре вью волны....................... 403
§ 1. Введение.............................. 403
§ 2. Искровые генераторы миллиметровых во/in............. 403
§ 3. Ламповые генераторы........................ 404
§ 4. Гармоники ламповых генераторов ................. 406
§ 5. Детектирование миллиметровых волн ................. 407
Полупроводниковые кристаллические генераторы гармоник ...... 410
Распространение миллиметровых волн................ 413
8. Измерение частоты.......................... 413
9. Абсорбционные спектроскопы для миллиметрового диапазона..... 4]4
Глава, 17. Контроль и измерение частоты................... 416
§ 1. Волномеры.............................. 416
§ 2. Кварцевые стандарты частоты.................... 418
§ 3. Измерение рашостсй частот..................... 422
§ 4. Стабилизация частоты сверхвысокочастотных генераторов...... 423
§ 5. Контроль частоты с помощью объемного резонатора......... 424
§ 6. Стабилизация сверхвысокочастотных" генераторов с помощью спектральных линий ..........................
7, Молекулярный генератор......................
8. Осуществление атомных стандартен частоты и времени........
I'пава IS. Применение радиоспектроскопии для химического анализа .... 4.4i
§ 1. Радиоспектроскопия для химического анализа............ 434
§ 2. Качественный анализ......................... 43В
§ 3. Количественный анализ...................... 439
§ 4. Специальная аппаратурами методика спектроскопического анализа . . 443
Приложения
I, Интенсивности компонент сверхтонкой структуры и поправки к
энергии, обусловленные ядерным квадруполышм взаимодействием . . 449 II. Поправки второго порядка к энергии ядерного квадрупольного взаимодействия для линейных молекул и молекул типа симметричного волчка............................... 4(17
III. Коэффициенты д.чя вычисления уровней энергии слегка асимметричного волчка ............................
IV. Уровни энергии жесткого волчка................ • •
1-Va. Уровни энергии для жесткого асимметричного волчка (для J>i2) . .
V. Силы вращательных переходов................- • •
VI. Молекулярные постоянные, полученные на основе исследований
скерхвысокочастотных спектров...................
Данные, полученные в течение 1955—1957 гг..........
VII. Свойства стабильных ядер (распространенность, массы, моменты) . . VIII. Основные постоянные и переводные множители...........
Литература...-.............................
Имей-ной указателе............................
Предметный указатель.........................
Указатель химических соединений................
Цена: 500руб.
