Estructura hiperfina

De Viquipèdia
Si nucli i electró tenen espins en el mateix sentit tenen un estat d'alta energia. Si l'electró canvia l'espín de sentit l'estat és de mínima energia. La diferència d'energies es perd en forma d'un fotó de radiació que, pel cas de l'hidrogen, correspon a una longitud d'ona de 21,106 cm.

L'estructura hiperfina és la divisió d’una línia espectral en diversos components causada per efectes nuclears i només observable amb interferòmetres.

La divisió no es pot observar en un espectroscopi normal sense l'ajut d'un dispositiu òptic anomenat interferòmetre. En l'estructura fina, la divisió de línia és el resultat dels canvis d’energia produïts per l’acoblament d’espín-òrbita d’electrons (és a dir, interacció de forces a partir del moviment orbital i de rotació d’electrons); però en l'estructura hiperfina, la divisió de línies s'atribueix al fet que, a més del gir de l'electró en un àtom, el mateix nucli atòmic gira al voltant del seu propi eix. Els estats energètics de l’àtom es dividiran en nivells corresponents a energies lleugerament diferents. A cadascun d’aquests nivells d’energia se li pot assignar un nombre quàntic i, a continuació, s’anomenen nivells quantitzats. Així, quan els àtoms d’un element irradien energia, es fan transicions entre aquests nivells d’energia quantificats, donant lloc a una estructura hiperfina.[1]

Albert Abraham Michelson

El nombre quàntic de rotació és zero per als nuclis de nombre atòmic parell i nombre màssic parell, i per tant no es troba l'estructura hiperfina a les seves línies espectrals. Els espectres d'altres nuclis presenten una estructura hiperfina. Observant l'estructura hiperfina, és possible calcular l'espín nuclear. Un efecte similar de la divisió de línies és causat per les diferències de massa (isòtops) dels àtoms d’un element i s’anomena estructura d’isòtops o desplaçament d’isòtops. Aquestes línies espectrals de vegades es coneixen com a estructura hiperfina, però es poden observar en un element amb isòtops de spin-zero (fins i tot nombres atòmics i de massa). Poques vegades s’observa l'estructura dels isòtops sense que l’acompanyi l'estructura hiperfina veritable.[1]

Història[modifica]

L'estructura òptica hiperfina fou observada per primera vegada el 1882 per Albert Abraham Michelson (1852-1939), a la Universitat de Clark a Worcester, Massachusetts, amb l'interferòmetre que havia dissenyat, estudiant la línia de longitud d'ona 535,1 nm, verda, del tal·li, que presenta dos isòtops naturals, el tal·li 203 i el tal·li 205.[2]

Tot i això, no es pogué explicar en termes de la mecànica quàntica fins al 1924, quan Wolfgang Pauli (1900-1958) proposà l'existència d’un petit moment magnètic nuclear.[3][4] Aquesta proposta tenia l'objectiu d’explicar l’observació, uns mesos abans, de l'estructura hiperfina del mercuri i del bismut per part de Hantarō Nagaoka (1865-1950), Y. Sugiura i T. Mishima.[5] El 1927, Samuel Goudsmit (1902-1978) i Ernst Back (1881-1959) realitzaren un estudi detallat de l'estructura hiperfina del bismut.[6] Aquesta proposta de Pauli possibilità comprendre l'estructura dels espectres de ressonància nuclear sobre la base de la teoria de la interacció dels petits moments multipolars nuclears amb els camps magnètics i elèctrics generats internament.[2]

El 1935, Hermann Schüler (1894-1946) i Theodor Schmidt (1908–1986) proposaren l'existència d'un moment quadripolar nuclear per explicar les anomalies observades a l'estructura hiperfina.[7]

Estructura hiperfina de l'hidrogen[modifica]

Estructura fina i hiperfina de l'hidrogen

La coneguda línia vermella H-alfa d’hidrogen és una línia única segons la teoria atòmica de Bohr. L’aplicació directa de l'equació de Schrödinger a l’àtom d’hidrogen dona el mateix resultat. Si hom calcula la longitud d’ona d’aquesta línia utilitzant l'expressió energètica de la teoria de Bohr, obté 656,11 nm per a l’hidrogen, tractant el nucli com un centre fix. Si hom utilitza la massa reduïda, obté 656,47 nm per a l’hidrogen i 656,29 nm per al deuteri. La diferència entre les línies d’hidrogen i de deuteri és d’uns 0,2 nm i la divisió de cadascuna d’elles és d’uns 0,016 nm, corresponent a una diferència d’energia d’uns 0,000045 eV. Això correspon a un camp magnètic intern a l'electró d’uns 0,4 Tesla.[8]

Per a àtoms diferents de l’hidrogen, l'espín nuclear i el moment angular electrònic total ( és el moment angular total dels electrons a causa del seu moviment orbital el nucli i el moment angular de tots els electrons considerats només com a partícules) s’acoblen, donant lloc al moment angular total .[9]

Aplicacions[modifica]

Astrofísica[modifica]

Representació de l'estructura fina de l'hidrogen gravada a la placa de la sonda Pioneer

Com que la divisió hiperfina és molt petita, les freqüències de transició no solen ser òptiques, sinó en el rang de freqüències de ràdio o microones. L'estructura hiperfina dona la línia de longitud d'ona 21 cm, freqüència 1420 MHz, observada a la regió H I en medi interestel·lar. Carl Sagan (1934-1996) i Frank Drake (1930) consideraren que la transició hiperfina de l’hidrogen era un fenomen prou universal per poder ser utilitzat com a unitat base de temps i longitud a la placa de les Pioneer, les sondes Pioneer 10 i Pioneer 11, llançades el 1972 i 1973 respectivament, per enviar un missatge a possibles civilitzacions extraterrestres que trobassin aquestes sondes. Posteriorment també es gravà al disc d'or de les Voyager, llançades el 1977 (Voyager 1 i Voyager 2).[9]

En radioastronomia, els receptors superheterodins s’utilitzen àmpliament en la detecció dels senyals electromagnètics d’objectes celestes. Les separacions entre diversos components d'una estructura hiperfina solen ser prou petites per encabir-les a la banda de freqüència intermèdia del receptor. Com que la profunditat òptica varia amb la freqüència, les relacions de força entre els components hiperfins difereixen de la de les seves intensitats intrínseques. D’aquí podem derivar els paràmetres físics de l’objecte.[9]

Tecnologia nuclear[modifica]

Làser verd emprat per separar isòtops segons els procés AVLIS

El procés AVLIS, acrònim de l'anglès Atomic Vapor Laser Isotope Separation (Separació d'Isòtops de Vapor Atòmic per Làser) utilitza la divisió hiperfina entre transicions òptiques en urani 235 i urani 238 per fotoionitzar selectivament només els àtoms d’urani 235 i després separar les partícules ionitzades de les no ionitzades. Els làsers de tint sintonitzats precisament s’utilitzen com a fonts de la radiació de longitud d’ona exacta necessària.[9]

Utilitzat per definir el segon i el metre SI[modifica]

La transició d’estructura hiperfina es pot utilitzar per fabricar rellotges atòmics molt precisos. Normalment, la freqüència de transició de l'estructura hiperfina d’un determinat isòtop d’àtoms de cesi o rubidi s’utilitza com a base d’aquests rellotges. A causa de la precisió dels rellotges atòmics basats en la transició d’estructures hiperfines, ara s’utilitzen com a base per a la definició del segon. Ara es defineix que un segon a partir de la freqüència de transició de l'estructura hiperfina dels àtoms de cesi 33, que val exactament ΔνCs = 9 192 631 770 Hz. El segon es defineix com:[10]

Des del 1983, el metre es defineix basant-se en el valor exacte la velocitat de la llum en el buit el qual valor és exactament de 299 792 458 m/s. Així: El metre és la longitud del recorregut de la llum al buit durant un interval de temps d'1/299 792 458 s.[11]

Proves de precisió d'electrodinàmica quàntica[modifica]

La divisió hiperfina en l'hidrogen i en el muó s’ha utilitzat per mesurar el valor de la constant d’estructura fina α. La comparació amb mesures d'α en altres sistemes físics proporciona una prova estricta de l'electrodinàmica quàntica, la teoria quàntica del camp electromagnètic, part de la teoria quàntica de camps.[9]

Qbit en càlcul quàntic de trampa d’ions[modifica]

Treballant en un ordenador quàntic

Els estats hiperfins d’un ió atrapat s’utilitzen habitualment per emmagatzemar qbits en informàtica quàntica de trampa d’ions. Tenen l'avantatge de tenir una vida molt llarga, que supera experimentalment ~ 10 min (en comparació amb ~ 1 s per a nivells electrònics metaestables). La freqüència associada a la separació d'energia dels estats es troba a la regió de microones, cosa que permet conduir transicions hiperfines mitjançant la radiació de microones. No obstant això, actualment no hi ha cap emissor disponible que pugui enfocar-se per dirigir un ió concret d'una seqüència. En canvi, es poden utilitzar un parell de polsos làser per impulsar la transició, tenint la seva diferència de freqüència (desafinació) igual a la freqüència de transició requerida. Aquesta és essencialment una transició Raman estimulada.[9]

Referències[modifica]

  1. 1,0 1,1 Britannica, T. Editors of Encyclopaedia. "Hyperfine structure." Encyclopedia Britannica, March 15, 2016. https://www.britannica.com/science/hyperfine-structure.
  2. 2,0 2,1 Brix, Peter. On the shoulders of giants — Early history of hyperfine structure spectroscopy. For gisbert zu putlitz. Springer Berlin Heidelberg, p. 439–448. ISBN 978-3-540-63716-5. 
  3. Pauli, W. «Zur Frage der theoretischen Deutung der Satelliten einiger Spektrallinien und ihrer Beeinflussung durch magnetische Felder» (en alemany). Naturwissenschaften, 12, 37, 1924-09, pàg. 741–743. DOI: 10.1007/BF01504828. ISSN: 0028-1042.
  4. Belloni, Lanfranco «Pauli’s 1924 note on hyperfine structure». American Journal of Physics, 50, 5, 01-05-1982, pàg. 461–464. DOI: 10.1119/1.12836. ISSN: 0002-9505.
  5. Nagaoka, H.; Sugiura, Y.; Mishima, T. «Isotopes of Mercury and Bismuth revealed in the Satellites of their Spectral Lines» (en anglès). Nature, 113, 2839, 1924-03, pàg. 459–460. DOI: 10.1038/113459a0. ISSN: 1476-4687.
  6. Nagaoka, H.; Sugiura, Y.; Mishima, T. «Isotopes of Mercury and Bismuth revealed in the Satellites of their Spectral Lines» (en anglès). Nature, 113, 2839, 1924-03, pàg. 459–460. DOI: 10.1038/113459a0. ISSN: 0028-0836.
  7. Casimir, H. B. G. «The early history of hyperfine structure» (en anglès). Hyperfine Interactions, 15, 1-4, 1983-12, pàg. 1–7. DOI: 10.1007/BF02159707. ISSN: 0304-3834.
  8. «Hydrogen Fine Structure». Hyperphysics. [Consulta: 15 juliol 2021].
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 «Hyperfine structure» (en anglès). [Consulta: 15 juliol 2021].
  10. «second - BIPM». [Consulta: 15 juliol 2021].
  11. «metre - BIPM». [Consulta: 15 juliol 2021].