Квадрупольное взаимодействие

КВАДРУПОЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, взаимодействие системы заряженных частиц с внешним полем (или создающими его источниками), обусловленное наличием у системы квадрупольного момента. Квадрупольное взаимодействие вызывается неоднородностью внешнего поля, которая обычно предполагается малой по сравнению с размером системы l (т. е. поле мало изменяется в пределах системы). Так, энергия системы электрических зарядов, например молекулы или атомного ядра, в электрическом поле напряжённостью Е(r) = -∇φ₀(r), описываемом плавной гармонической функцией φ₀(r)  (Δφ₀ = 0), равна

(*)

i, k = 1,2,3 (суммирование производится по повторяющимся индексам i и k). В формуле (*) учтены только первые три электрических мультипольных момента - полный заряд q, дипольный момент р^е и квадрупольный момент Q^e_ik, вычисленные относительно точки r = 0. Квадрупольному взаимодействию отвечает последнее слагаемое в формуле (*). Оно описывает изменение энергии системы под действием неоднородности поля Е(r), которую таким образом неявно характеризует. Это используется, в частности, в спектроскопии ядерного квадрупольного резонанса, позволяющей получать информацию об электронной структуре молекулы путём измерения квадрупольного расщепления энергетических уровней её резонансных ядер в неоднородном поле окружающих электронов.

Если внешнее поле создано некоторой удалённой системой зарядов, расположенной в области размером l₀ в окрестности точки R (R >> l, l₀) и обладающей, в свою очередь, мультипольными моментами q₀, р₀^е , Q₀^e_jm,..., то, подставив его потенциал в выражение (*), получим асимптотическое разложение энергии квадрупольного взаимодействия одной системы зарядов в электростатическом поле другой, из которого следует, что энергия взаимодействия квадруполя с зарядом q₀ диполем р₀^е, квадруполем Q₀^e_jm обратно пропорциональна R³, R⁴, R⁵ соответственно. Квадрупольное взаимодействие с зарядом реализуется, например, при кулоновском возбуждении несферических ядер на вращательный уровень энергии в процессе рассеяния заряженных частиц ядрами.

Собственно квадруполь-квадрупольное взаимодействие с энергией, обратно пропорциональной R⁵, наиболее важно для незаряженных систем с нулевыми дипольными моментами. Такая ситуация имеет место, в частности, при взаимодействии между состоящими из одинаковых атомов двухатомными молекулами в основном состоянии или между атомами с ненулевыми орбитальным и полным угловыми моментами. Однако при усреднении по всевозможным ориентациям моментов молекул или атомов (например, в газе) соответствующая сила притяжения (или отталкивания) обращается в нуль. Последнее справедливо также по отношению к любым силам, обусловленным собственными дипольными или высшими мультипольными моментами частиц. Поэтому, согласно квантово-механическим расчётам, усреднённые силы между молекулами (или атомами) в газе на больших расстояниях обычно определяются не электростатической, а электромагнитной энергией наведённого диполь-дипольного взаимодействия, возникающего вследствие деформации одной молекулой электронного облака другой.

Лит.: Гречишкин В. С. Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах. М., 1973; Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. М., 1977. Т. 2; Гроот С. Р. де, Сатторп Л. Г. Электродинамика. М., 1982; Каплан И. Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. М., 1982.