Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

31 (2). Методы измерения спина и магнитного момента ядра. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

Спектроскопический метод

Сверхтонкая структура оптических спектров воз- никает из-за взаимодействия магнитных момен- тов ядра и электронной оболочки.

JА = JЯ + JЭ

JА = JЯ + JЭ, JЯ +JЭ -1, ..., |JЯ- JЭ|,

т.е. всего (2k+1) значений, где k - меньшее из чи- сел JЯ и JЭ. Это же число (2k+1) равно числу компонент в сверхтонком расщеплении. Поэто- му если JЯ < JЭ , то спин ядра можно найти про- стым подсчетом компонент в сверхтонком рас- щеплении спектральных линий. Если JЯ > JЭ , то приходится применять другие методы.

Спектроскопический метод

Например, экспериментально найдено, что уровень 3S1 атома 111Cd48 расщеп- ляется на два подуровня. Отсюда сле- дует, что 2k+1 = 2, т.е. k =1/2. Но JЭ = 1 (это указано справа внизу в обозначе-

нии терма), поэтому k = JЯ = 1/2.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Парселл (Purcell), Блох (Bloch), 1946г, Нобелевская

премия 1952г)

1-Магнит, создающий сильное постоянное

магнитное поле B.

2-Катушки, создаю- щие модулирующее переменное магнит-

ное поле Bm. 3-Катушка, создаю- щая слабое ВЧ-поле,

B', перпендикуляр-

ное полю B. 4 - Исследуемый образец. 5 - ВЧ-гене- ратор. 6 - Осциллограф или измеритель силы тока.

Энергия взаимодействия магнитного момента яд-

ра с внешним магнитным полем равна:

E B B0mj

где магнитное внутреннее квантовое число mj при- нимает значения:

mj = j, j-1, j-2, ..., -j

Вотсутствие ВЧ-поля большинство ядер находят- ся на низшем уровне E0= B0(-j), а при включении поля на резонансной частоте ядра переходят на следующий уровень E1= B0(-j+1). Для этого пе- рехода нужна энергия

E = E1 -E0 = B0(-j+1) - B0(-j)= B0

Сдругой стороны, та же самая разность, согласно

правилу частот Бора, равна:

E рез B0

Таким образом, измерив резонансную частоту и со- ответствующую индукцию магнитного поля, можно определить магнитный момент ядра:

Зная магнитный момент, можно найти спин ядра, ис-

где я - ядерный магнетон, g - гиромагнитное отно-

шение (эти величины мы рассмотрим позже).

Итак, чтобы определить магнитный момент ядра, на- до измерить резонансную частоту ωрез при фиксиро- ванной индукции магнитного поля B0, или наоборот, зафиксировав ωрез, найти соответствующее значение индукции B0.

Для того, чтобы на осциллографе (или на экране мо-

нитора компьютера) была удобная для наблюде-

ния стационарная картина, к основному полю B добавляют параллельное ему переменное низко-

частотное (fm=50Гц) модулирующее поле Bm такое,

что суммарное поле B(t) = B + Bmsin(2π fmt) периоди- чески проходит через значение B0, и тем самым вводит ядра исследуемого образца в резонанс и

выводит из него. В промежутках между резонанса-

ми ядра успевают вернуться на нижний энергети- ческий уровень, каждое прохождение через резо-

нанс сопровождается поглощением энергии, бла-

годаря чему на осциллографе получается стацио- нарная резонансная кривая.

Применения ЯМР

ЯМР нашел применение не только в ядерной физи-

ке, но и в биологии, в медицине (магниторезонанс-

ная томография), в геофизике для исследований в магнитном поле Земли, для создания приборов

гидродинамического контроля, в материаловеде-

нии, в химии. В качестве примера рассмотрим ЯМР-спектр этилового спирта CH3-CH2-OH