83. Методы квадрупольного и гамма резонанса: основы метода, техника эксперимента. Практическое применение.

Спектроскопия ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) и метод мессбауэровской спектроскопии, называемый также методом ядерного гамма-резонанса (ЯГР), используются в структурных исследованиях и позволяют получать информацию о распределении электронной плотности и характере химических связей по сдвигам резонансных сигналов ядер и параметров градиента неоднородного электрического поля на ядрах, создаваемого электронным окружением. Оба метода применимы для исследования только твердых образцов. Исключительно высокая чувствительность обоих методов к малейшим изменениям электрических полей открывает возможность исследования широкого круга проблем, связанных с внутри- и межмолекулярными взаимодействиями.

Частотный (Гц) диапазон, в котором происходят соответствующие квантовые переходы, в спектроскопии ЯКР составляет 10⁴... 10⁹ Гц, а в ЯГР 10¹⁸ ... 10¹⁹ Гц.

Метод ядерного квадрупольного резонанса

Это один из методов прямого определения градиентов электрических полей. В отличие от методов магнитного резонанса в спектроскопии ЯКР сдвиги резонансных частот зависят только от внутримолекулярных электрических воздействий. Внешнее магнитное поле иногда требуется налагать при изучении асимметрии неоднородного электрического поля в некоторых системах.

Существуют стационарные и импульсные методы наблюдения сигналов ЯКР в области от ~2 до 1000 МГц. Применяются стационарные и импульсные спектрометры. Применение импульсных спектрометров ЯКР позволяет обнаруживать сигналы большой ширины (~2% от значения частоты против ~0,02% при стационарных методах). Это сделало возможным исследование структур с неустранимыми элементами беспорядка. К таким системам относятся, в частности, кристаллические полимеры. Данные спектроскопии ЯКР позволяют судить о структуре, характере расположения и подвижности полимерных молекул в кристалле.

Сложность и малая доступность аппаратуры и жесткие условия проведения эксперимента (низкие температуры, термостатирование и т. д.), а также с ограниченностью объектов: определенный круг ядер, кристаллические образцы, причем лучше монокристаллы, чем порошки. Масса образцов, необходимая для исследования велика.

Гамма-резонансная ядерная флуоресценция, т.е. испускание и поглощение ‑квантов при ядерных переходах без затраты энергии на отдачу ядра. Источником излучения и объектом, поглощающим его, являются ядра одного и того же изотопа, соответственно, в возбужденном и основном состояниях. Большим достоинством метода является высокая монохроматичность ‑излучения (узость линии) и высокое спектральное разрешение. Положение резонансного сигнала зависит от электронного окружения ядер. Метод спектроскопии ЯГР позволяет получить данные о градиенте электрического поля на ядрах.

Чаще всего в ЯГР спектроскопии в качестве источника ‑излучения (излучатель) используется какое-либо стандартное вещество, а поглощающим ‑кванты веществом является исследуемый образец.

Существует три главных типа взаимодействия ядра с его химическим окружением в образце: кулоновское взаимодействие ядра с электронами; квадрупольное взаимодействие с градиентом электрического поля на ядре (для ядер со спином > 1/2); магнитные взаимодействия.

Спектроскопия ЯГР находит применение в различных областях науки и техники, в частности, кроме химии она широко используется в физике твердого тела, геологии и биологии.