книги из ГПНТБ / Крюкова Л.Н. Сверхтонкие взаимодействия в ядерной физике учеб. пособие для студентов физ. фак

- 81

-

uoro н эталонного образцов при одной и той же

частота .

Наибольшей экспериментальный материал

по

хиыичеоким о д -

внгам получен для протонного резонанса . Не

р а с . 21 приведен

вид резонансного сигнала от протонов этилового спирта QW^OW,

измеренного на спектрометре Я11Р о разрешением

(относительной

полушириной резонансной линии

-rj-S ) равным

10 .

ния

о наличии

в молекуле опирта

трех

структурных

групп:

ОН,

СНг

и CHj

.

Впоследствии в опеятре

ЯМР этилового опирта,

измеренном

о более высокий разрешением, была обнаружена

слож­

ная

тонкая

структура, состоящая

иа 36

компонент.

chs

снг он

ü).

(HS) (80) (+3)

Р и с , 2 1 .

Спектр ЯИР от

протонов

этилового

опирта.

В скобках

указаны интенсивности линий.

В результате экспериментальных

исследований ЯМР было

обнаружено,

что

резонансные

частоты

ядер

в металлах ÛJ

вы-

ше рѳзонаноных

частот

в диэлектриках

Ы

при

и

что

условии,

Но порядку

величины найтовокий

сдвиг,

как

правило,

прозывает

химические

одвиги.

Рассмотрение

основных

свойств яайтовскнх

сдвигов,

- Д 0 й в » 0

, независимость

отношения

A W e

/ t 0 0

от

величины

Оід

, независимость A & î ^ / u ) ^

ог температуры

a

т . д . , -

показало,

что их ыожно объяснить наличием эффективных

полей на

ядрах

H

(см . ( 5 5 ) ) ,

обусловленных

сверхтонким

взаимодействием

ядер с

электронами

проводимости.

§ 5 .

Ядерный

авадрупольный

резонанс

переменного

магнитного полей. Для простоты

ограничимся

ч а с т ­

ным случаем

аксиальносимметричного

электрического поля в нал ­

о в л е н н о г о

перпендикулярно

его

оси

осциллирующего

поля

Hf(t).

Мы видели, что взаимодействие

квадрупольного

аонента

я д ­

ре с неоднородным электрическим полем приводит к расщеплению

энергетического уровня на компоненты, разделенные неравными

интервалами. При наличии осевой симметрии

поля согласно

(35)

эти интервалы относятся как I : 3 :

5 . . . .

для

целочисленных

значений с п и н о в ( І » І )

и как I

: 2

s 3 . . .

для

полуцелых

( І > 3 / 2 ) .

Ксли энергия квадрупольного взаимодействия ядра много больше

анергии

взаимодействия

о переменным

полем

H

f t )

, то как

и

в случае ЯМР, последнее можно рассматривать как возмущающий

Фактор, приводящий к индуцированным переходам между подуров­

нями с

A m

= + I при резонансной

частоте'

(JÙ0* &Е/h .

Явление избирательного

поглощения электромагнитной

энер -

вается

"

ядерным

квадгогпольныи

резонансом" с

пкѵ).

Название "квадрупольный", по существу, отражает только

характер

сверхтонкого

расщепления уровней

в

электрическом п о ­

л е ,

но

не

природу его взаинодѳйотвия

о H ^ t ) .

Электрические

квадрупольные

переходы

о

Ш

= +

2

практически

не

наблюда­

ются

и з - з а малости градиентов

электрических

полей,

существу­

ющих

в

электромагнитной

волне.

В этом

можно

убедиться,

с р а в ­

нивая

энергии

магнитного

Е/иагн(Н1)

и

электрического

E}jHf)

взаимодействий ядра о

полем

W f ( é ) .

Принимая квадрупольный момент ядра равным

Q

= I

барн,

магнитный

-

fx

= I fx^

и

длину

волны

электромагнитных

колебаний

Л

=

ІО^ см,

найдем

отношение

где

F

*

и H

'

-

максимальные

значения напряяѳннос-

mox

max

тѳй

электрического

и

магнитного полей

в электромагнитной вол­

н е .

Малость

величины

этого отношения свидетельствует о прак­

тически

чисто

магнитном характере взаимодействия ядра с по ­

лем

Hf(t)

.

Поэтому ядерный квадрупольный резонанс можно

рассматривать

как

частный

случай ядерного магнитного резонан­

с а .

-

84

щих переходам между подуровнями квадрупольного

расщепления.

2)

Большая

ширина

резонансных

линий.

3)

Значительно

более широкий,

чем в

случае

ЯМР,

диапа ­

зон

резонансных

чаотот .

Приведем некоторые

экспериментальные

данные,

с в и д е т е л ь ­

ствующие о возможности применения ЯКР с целью исследования

структуры вещества.

В таблице 3 даны значения резонансных частот ЯКР дня

ряда химических

соединений.

Таблица

3

!

Ядро

] Квадрувольная

частоте

Соединение

!

1

IfГЦ

сн3э

1

1753

5 а

Э

1363

ц

t37D

2ГІ0

СН3Вх

528,9

снхе,

35ct

76,6

Видно, что

резонансная

частота

растет по мере приближе­

ния химической связи .к чисто ковалентной

(гомеополярной).

Самая высокая частота

наблюдается

в гоиеополярной

молекуле

D,

. Длп

соединений

CH.J

и SnD,

"степень

ионности" п о -

еннзи.

Отсюда

следует

возможность применения

ЯКР для и с с л е -

лопанин

и;ироды

химической связи .

Экспериментально

обнаружена зависимость

резонансной к в а -

дтуполыюй частоты от

температуры:

лекулярных

колебаний.

В результате

положение

оси ГЭП в прост ­

ранстве

изменяется

со

временем и распределение эффективного

варяда уорѳдняетоя, приближаясь к сферически

симметричному.

Этим же объясняется возможность наблюдения ЯКР только для

о б ­

разцов,

находяаихоя

в

твердой ф а з е ,

так как в

жидкооти с р е д ­

нее значение ГЭП стренитоя к нулю.

Теория квадруполышх эффектов может быть

непосредствен­

но связана

о теорией

колебаний в кристаллической решетке,

что

Если ка ядра действуют электрическое и магнитное пили

одновременно,

то

характер наблюдаемых спектров ЯМР зависит

ит

соотношения величин элѳктричѳокой и магнитной энергий и от

угла между направлением внешнего магнитного поля и

осью

симмет­

рии ГЭП. Выражения для энергии

системы

ядер,

очень

сложные

в общем

случае,

значительно

упрощаются

в двух

крайних

случаях

слабых (

H

«

H

)

и сильных

( H

»

H. )

магнитных

полей.

В слабых

полях, где расщепление энѳргетичеоких уровней

определяется

квадрупольным

взаимодействием

( j u H ^ e ' ^ Q

) ,

г о ­

ворят об

эффекте

Зеемана на

линиях

ЯКР. В сильных

полях,

к о г ­

да магнитная

анергия

являѳтоя

преобладающей (juiH0

»

e ^ j ,

Q

) ,

говорят

о

тонкой

структуре

ЯИР, обусловленной

квадрупольным

взаимодействием. Уровни теперь не будут равноотстоящими и

вместо

одной

линии

в спектре

ЯМР появляется

несколько

линий.

Их количество

равно

числу переходов

нѳхлу

яде; ними

подуровне-

ил

в соответствии с

правила ни

отбора.

В промежуточной

облаоти

магнитных

полей,

когда

анергии

квадрупольного и магнитного взаимодействий сравнимы

между с о ­

бой, вычисление энергий системы требует

общих

методов кванто ­

вой

механики. Некоторые частные случаи

допускают точный р а о -

значение

исследования сверхтонкой структуры

уровней

ядер

в

магнитном

и электрическом полях состоит а том,

что

из нее

мож­

но найти

знак квадрупольного взаимодействия,

а

это

при опре ­

ядра.

§

ь . Применение ЯМР для исследования сверхтонких

взаимодействий

В экспериментах по HUP непосредственно измеряемой на

опыте

величиной является резонансная

ч а с т о т а ,

определяемая

произведением ядерного гиромагнитного

отношения

( т . е . магнит­

женности постоянного магнитного поля .

Если это поле - внутреннее, то резонансная частота

опре­

деляет константу сверхтонкого магнитного взаимодействия

и , с л е ­

довательно, позволяет измерить магнитный момент ядра

j u

( я д е р ­

ный параметр) или магнитное поле на ядре (атомный параметр).

Измерение магнитных моментов ядер во внешних магнитных

полях в течение длительного времени являлось основной

задачей,

решаемой с помощью ЯМР. Большая часть магнитны/, моментов

о с ­

щее

время точность

определения и. методом HUP

достигает

-S

~ І 0

% и уступает

только резонансному методу на

атомных пуч­

ках.

-

87 -

малая

величина

сигнала

ЯМР приводит к необходимости

и с ­

пользования

в

экспериментах

макроскопических количеств веще­

с т в а ,

содержащего исследуемые

ядра.

Это требование

ограничи­

вает применение ЯМР в чистом виде только к стабильным или

долгоживущим

изотопам.

В последние годы разработаны новые комплексные методы,

представляющие собой сочетание ЯМР с

другими методами

и с с л е ­

дования сверхтонких

взаимодействий,

в частности, методами

ориентированных ядер и

возмущенных

угловых корреляций. Боль ­

шое значение для развития этих методов имеет открытое

в

1966г .

явление , так называемого "

ферромагнитного усиления

ЯИР

" .

Оно состоит в том, что в магнитоупорядоченных средах

(напри­

мер,

в ферромагнетиках

Ре

и

Со

) наблюдаемая

величина

несколько

порядков превышающие приложенное радиочастотное по -

ле W , ( t ) .

Рассмотрим явление НИР в магнитоупорядоченных

веществах,

где на ядра действуют большие сверхтонкие поля .

Бели образец намагничен до насыщения во внешнем постоян­

ном

поле

H.Q , то все электронные магнитные моменты, а

с л е ­

довательно;

и создаваемые ими сверхтонкие поля на ядрах

Н £ т ,

ориентированы в направлении намагничивающего поля

Н 0

. В

большинстве случаев в ферромагнетиках направление

Н £ т

про ­

тивоположно

направлению

электронной намагниченности

образца

M

:

PL -

- A M .

doe)

-

88

-

Таким образом, на ядро действует

результирующее

постоян ­

ное

магнитное

поле

H 4 m

m

-

Н 0

•

Н „

«

H

-

A M .

(107)

э<роз

о

ст

о

Частота

прецесони

ядра

в

этом поле

равна

« . - У ( Н . - Л М )

.

(108)

Ток

как

в

ферромагнетике

[ H

| » j ' H 0

|

, то

основной

вклад в

ц ) 0

дает

Н е т .

Если

теперь

к ферромагнетику приложить

радиочастотное

•ж»

поле

Н4{і)

,

направленное

перпендикулярно

H Q

. то

под влия ­

нием

этого поля

намагниченность

M

поверяется на

некоторый

угол

относительно

И0 .

В результате

этого

возникает

попе ­

речная

составляющая

намагниченности

M

и,

следовательно,

поперечная составляющая

сверхтонкого

поля

Н „

-

-

AM

,

(109)

которая будет следовать за вращающимся полам

Н 1 ( і )

.

Р е з о ­

нансные переходы ядер будут индуцироваться в этом олучаѳ не

внешним

полем

H Ai)

• ,

а

переменной

составляющей

сверхтон -

кого

поля

HCT(t).

Подробное рассмотрение этого явления приводит к следую­

щему

соотношению

между

Нсг(і)

и

H^fi)

:

H

( t )

«

H , ( t ) ( 4

•

Ui)

( П О )

о

величина

1 +

—

,

называемая

"коэффициентом

ферромагнитно-

го усиления"

достигает

~ 1 0 .

Использование явления ферромагнитного усиления сделало

возможным

детектировать

ЯМР на

короткоживущих

возбужденных

-

89

-

ооотояняях ядер.

На основанин

вышеизложенного

можно перечислить задачи,

рожаемые

методом

ЯМР : ри исследовании сверхтонких

взаимодеи-

о*в**:

1)

Измерение

магнитных

моментов

ядер .

2)

Измерение

эффективных магнитных полей на

ядрах.

3) Измерение отношений квадрупольных моментов ядер для

различных изотопов одного и

того

же

элемента.

К)

Изучение

химических

з в я з е й .