Резонансные явления

При наложении осциллирующего внешнего магнитного поля возникают резонансные явления, как результат отклика атомов вещества на такие магнитные поля. Подробнее рассмотрим подобные явления

Атом во внешних осциллирующих магнитных полях. При воздействии внешнего магнитного поля на атомную систему ее энергия приобретает ряд значений, которые определяются пространственным квантованием, как это показано на рис. 93.Между отдельными подуровнями возможны спектральные переходы. Переходы осуществляются только между уровнями с = ± 1. Частота перехода равна:

.

Вызвать такие переходы можно двояко:

1. Путем воздействия небольшим магнитным полем , перпендикулярным полю В и вращающимся с частотой (рис. 94). Поле взаимодействуя с магнитным моментом атома, будет вызывать опрокидывание магнитного момента под влиянием пары сил. Если частота вращения будет , то пара сил под влиянием поля В' = b cos (ω_p t) действует непрерывно и вызывает соответствующий квантовый переход.

Квантовый переход может вызвать и поле, которое не вращается, а осциллирует вдоль какого-то направления с частотой . Эффект будет тот же. Роль осциллирующего магнитного внешнего поля может выполнять магнитный вектор СВЧ-волны. При частоте электромагнитной волны, равной , вероятность перехода максимальна и реализуется резонанс. Измеряя частоту этого резонанса в известном магнитном поле В, можно получать величину с большой точностью. Описанное явление резонанса широко используется для изучения строения твердых тел. Различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс (ЯПР) и ферромагнитный резонанс.

Электронный парамагнитный резонанс. Электронный парамагнитный резонанс открыт Е. К. Завойским в 1944 г. Первые наблюдения были выполнены на солях элементов группы железа. Электронный парамагнитный резонанс - явление резонансного поглощения микроволнового излучения Мгц- диапазонав парамагнитных веществах, находящихся во внешнем магнитном поле. Во внешнем магнитном поле энергетические уровни парамагнитных частиц расщепляются на ряд зеемановских подуровней. Между этими подуровнями под влиянием осциллирующего магнитного поля появляется одна или несколько линий резонансного поглощения.

Вероятность перехода под влиянием радиочастотного поля с какого-либо уровня на вышележащий равна вероятности обратного перехода. Если совокупность парамагнитных частиц находится в состоянии теплового равновесия, так что нижние уровни заселены сильнее верхних, то вещество в целом поглощает энергию радиочастотного излучения. Происходящее при этом нарушение равновесного распределения парамагнитных частиц по магнитным энергетическим уровням восстанавливается благодаря процессам парамагнитной релаксации, путем превращения поглощенной энергии в тепло.

Восстановление теплового равновесия в парамагнитных веществах во многих случаях представляет собой двухступенчатый процесс. Вначале равновесие устанавливается внутри системы магнитных моментов всех парамагнитных частиц, а затем происходит обмен энергий между нанокластерной системой и колебаниями кристаллической решетки в кристаллах или броуновским движением частиц в жидкости.

В веществе, в котором наблюдается электронный парамагнитный резонанс, установившееся состояние мало отличается от равновесного, если мощность СВЧ-излучения мала. При больших мощностях излучения, когда релаксационные процессы не в состоянии восстановить равновесное распределение, то наступает насыщение, обнаруживаемое по уменьшению эффекта электронного парамагнитного резонанса, что и используется для определения времени релаксации.

В конденсированных фазах сильные межатомные взаимодействия настолько искажают движение внешних электронов парамагнитных частиц, что результирующий орбитальный магнитный момент для кластеров определяется совокупным взимодействием связанных атомов внутри кластера, на который накладывается совокупное действие свободных атомов в межкластерном объеме, то вместо одной линии поглощения появляется группа линий. Положение и интенсивность парамагнитных линий в монокристаллах сильно зависят от ориентации внешнего поля .

Взаимодействие между орбитальным и ядерным магнитными моментами обуславливает сверхтонкую структуру линий поглощения электронного парамагнитного резонанса. Иногда приходиться учитывать взаимодействие квадрупольного электрического момента ядра с электрическим полем окружающих частиц. На рис. 95 приведен спектр электронного парамагнитного резонанса ионов Мn²⁺ при облучении СВЧ с длиной волны λ = 3 см. Каждая из пяти линий тонкой структуры расщеплена на 6 сверхтонких компонентов. В центре третьей группы узкая линия принадлежит связанному атому в межкластерном объеме.

Марганец обладает структурой алмаза. Результирующий магнитный момент кластера равен 6-ти отдельным атомарным моментам. Этим объясняется полученный спектр парамагнитного резонанса для иона марганца.

Ширина спектральных линий поглощения в ЭПР существенно зависит от многих факторов. Основные из них следующие: 1) диполь-дипольное взаимодействие атомов внутри кластера; 2) межкластерные взаимодействия; 3) неразрешенная тонкая и сверхтонкая структура исходных уровней; 4) анизотропия g -фактора; 5) дефекты кристаллической решетки; 6) насыщение ЭПР; 7) неоднородность внешнего магнитного поля и др.

Изучая спектр ЭПР, предоставляется возможность выяснить как строение кристаллов, так и свойства отдельных атомов, радикалов, а также их взаимодействие.

Ферромагнитный резонанс. Совокупность явлений, cвязанных с избирательным поглощением ферромагнетиком энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами прецессии магнитных моментов атомарных и кластерных структур во внутреннем эффективном магнитном поле В_эфф, представляет собой электронный магнитный резонанс в ферромагнетиках. Аналогичное явление поглощения СВЧ-энсргии наблюдается и в антиферро- и ферримагнетиках.

Ферромагнитный резонанс в узком смысле есть возбуждение однородной по всему объему образца прецессии дипольных электрических моментов, вызываемое электрическим полем СВЧ-волны, перпендикулярным постоянному намагничивающему полю.

Ядерный магнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс связан с резонансным поглощением электромагнитной энергии в твердом, жидком или газообразном веществах, обусловленным магнетизмом ядер. Он наблюдается в сильном постоянном магнитном поле , на которое накладывается значительно более слабое радиочастотное магнитное поле. Резонанс связан с наличием у

ядер магнитных моментов:

,

где в свою очередь: а I – спин ядра.

Также как и в ЭПР, поглощение будет максимальным, если частота поглощаемой СВЧ-волны равна частоте ларморовой прецессии:

.

Основные характеристики магнитного резонанса хорошо описываются классической моделью гироскопа, обладающего магнитным моментом и моментом импульса . Обычно в ЯМР приходится иметь дело не с изолированными магнитными моментами, а с системой очень большого числа ядерных моментов, взаимодействующих между собой и с решеткой. Это приводит к появлению некоторых новых свойств, которые следует учитывать в релаксационных процессах.

Методом ЯМР были проведены многочисленные измерения моментов ядер. Исследование релаксационных процессов, ширины и тонкой структуры линий ЯМР дали большой объем сведений о структуре жидкостей, диэлектрических кристаллов, металлов, полимеров, полупроводников.

Методом ЯМР были впервые исследованы состояния с инверсной заселенностью уровней, используемые в квантовой электронике для усиления и генерации колебаний.

На применении ЯМР основаны приборы для прецизионного измерения и стабилизации магнитного поля. Развитие экспериментальных методов ЯМР привело к возникновению новой отрасли приборостроения со своеобразной техникой конструирования магнитов, электроники и систем регистрации спектров.

Поиск по сайту: