4.3. Резонансные явления на квантовом уровне

парамагнитный, ферромагнитный и др. Ядерный резонанс обусловлен ядерными диполями, другие – электронными диполями.

Наиболее точным методом измерений магнитной индукции постоянных и медленно изменяющихся магнитных полей является метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), поскольку гиромагнитное отношение атомного ядра, определяющее функциональную связь между магнитной индукцией и частотой, является фундаментальной физической константой.

Энергия взаимодействия ядра и внешнего магнитного поля с индукцией Во определяется выражением

Еm = -mμI · Bo / I,

где m – магнитное квантовое число;

μI – магнитный момент ядра;

I – спиновое квантовое число, которое может принимать значения,

кратные 12 ; например, ядро водорода – протон имеет спин I = 12 .

Магнитные дипольные переходы имеют резонансный характер и происходят при частоте излучения, которая совпадет с классической частотой прецессии атомного ядра во внешнем магнитном поле:

ω = 2πμ1В / (Iħ) = γB,

где γ - гиромагнитное отношение атомных ядер.

В зависимости от способа получения сигнала измерительной информации метод ЯРМ разделяется на метод свободной ядерной прецессии, метод ядерной индукции и метод ядерного резонансного поглощения.

Метод свободной ядерной прецессии применяется для измерения магнитной индукции слабых магнитных полей (например, магнитного поля Земли). На основе этого метода создан и серийно выпускается ряд тесламетров для измерений параметров слабых магнитных полей (магнитного поля Земли, космического пространства и др.). Диапазон измерений таких микротесламетров обычно составляет 20-80 мкТл.

37

Метод ядерной индукции, основанный на непрерывном индуцировании ЭДС прецессирующими ядрами, используется в спиновых генераторах, а также в спектрометрах ЯМР, применяемых для исследования структуры вещества и измерения его состава и концентрации.

Метод ядерного резонансного поглощения основан на явлении поглощения высокочастотной энергии ядрами в результате магнитных дипольных переходов между уровнями, создаваемыми исследуемым магнитным полем. В таких тесламетрах применяется преобразователь с одной обмоткой, которая используется в качестве индуктивности LСгенератора. Синхронизация прецессии ядер осуществляется высокочастотным полем, создаваемым генератором, частота которого устанавливается равной частоте прецессии ядер. Информацией, свидетельствующей о наступлении резонанса, является уменьшение уровня высокочастотных колебаний в контуре генератора. Этот метод используется для измерений магнитной индукции от 0,01 Тсл и выше.

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основан на использовании резонансных переходов между энергетическими уровнями, определяемыми магнитным моментом электронной оболочки. ЭПР можно наблюдать в веществах, частицы (атомы, ионы и т.п.) которых имеют неспаренные электроны, благодаря чему электронная оболочка обладает магнитным моментом. К таким веществам относятся элементы переходных групп, свободные радикалы, растворы щелочных металлов и др.

Этот метод применяется для измерений магнитной индукции при значительной неоднородности магнитного поля в том диапазоне (1 ·10-4... 5·10-3 Тл), в котором трудно использовать метод ЯМР. Кроме того, метод ЭПР, вследствие его высокой чувствительности, используется для анализа веществ и измерения концентрации парамагнитных ионов.

Эффект Зеемана заключается в расщеплении энергетических уровней атомных частиц на магнитные подуровни, создаваемые магнитным полем, и на этом эффекте основаны квантовые магниторезонансные явления.

38

Расцепление линий невелико – в поле порядка 1 Тл оно составляет лишь несколько сотых нанометра.

Магниторезонансные методы с оптической накачкой атомов

основаны на одновременном использовании двух квантовых переходов, частота одного из которых находится в оптическом, а другого – в радиочастотном диапазонах. При этом оптическое излучение (накачка) используется для создания инверсной поляризации магнитных моментов атомов в разреженных газах, а магнитный резонанс осуществляется радиочастотным полем, стимулирующим переходы между зеемановскими подуровнями, создаваемыми магнитным полем.

Тесламетры бывают различных типов и отличаются по быстродействию, чувствительности и точности показаний. Типовой диапазон 10-3...10-13 Тл. Наилучшие характеристики обеспечиваются тесламометрами с оптической накачкой, в которых используются квантовые переходы между подуровнями сверхтонкой структуры атомов – щелочных металлов.

4.3.2. Ядерный гамма-резонанс

[4], с. 252...253

Метод ядерного гамма-резонанса (ЯГР) является одной из разновидностей доплеровского метода с использованием радиоактивного излучения. Он основан на явлении резонансного ядерного поглощения

гамма-квантов в кристалле без отдачи энергии, получившем название эффекта Мессбауэра. Это весьма чувствительный метод измерения параметров механических колебаний (вибраций) с практически неограниченным сверху диапазоном частот. Идея метода такова – на вибрирующем объеме укреплен источник излучения гамма-квантов, например изотоп 119Sn. Приемником излучения служит резонансный сцинтиллятор, состоящий из поглотителя (тонкая пластинка толщиной 0,02 мм из диоксида олова) с естественным изотопным составом и детектора,

39