Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
этим методом. Пучок нейтральных частиц вылетает из источника И,
коллимируется диафрагмой Д,
§38. Магнитный резонанс
199
Рис. 78. Схема установки для исследования ЯМР по методу молекулярных
пучков.
проходит через магнитное поле магнитов А, Б и В и регистрируется
приемником частиц Я. Магнит Б создает сильное однородное поле В^. Поля
иВв резко неоднородны. Все три поля В^, В^ и В^ направлены в одну
сторону. Градиенты напряженности магнитов А и В направлены в
противоположные стороны, как это указано на рис. 78. Поле В^ не отклоняет
нейтральных частиц, а в неоднородных полях В^ и В в частицы отклоняются в
противоположные стороны1; траектории частиц зависят от величины проекции
их магнитного момента на направление поля. Две такие траектории
изображены на рис. 78. Индукцию поля В^ подбирают так, чтобы отклонение в
поле В^ компенсировалось отклонением в поле Вв (легко видеть, что
компенсация одновременно происходит для всех значений проекции //, на В);
при этом в приемник П попадает наибольшее число частиц. В поле магнита Б
уровни испытывают зеемановское расщепление. В зазоре этого магнита
создается переменное электромагнитное поле (петля, создающая это поле,
изображена на рис. 78 между полюсами магнита Б) с частотой,
удовлетворяющей условию (7.12). Высокочастотное поле вызывает переходы
частиц с одного подуровня на другой. Отклонения в магнитах А и В
происходят у таких частиц при разных значениях проекции магнитного
момента на направление поля и не компенсируют друг друга. Число частиц,
попадающих в приемник, уменьшается.
Обычно опыты ведут таким образом, что частота генератора, созда-
1 Напомним, что сила, действующая на магнитный диполь, равна grad(/zB),
где /л - магнитный момент, а В - индукция магнитного поля. В однородном
поле сила обращается в нуль.
200
Глава 7
ющего переменное электромагнитное поле, держится постоянной, а
напряженность поля плавно колеблется вокруг некоторого значения. При
резонансном значении наблюдается резкое уменьшение числа частиц в
приемнике. Равенство (7.12) по известным значениям со и В^ позволяет
определить и, для исследуемых частиц. Точность метода достигает тысячных
долей процента. Высокочастотное поле должно быть циркулярно поляризовано
или содержать циркулярно поляризованную компоненту. Направление
циркулярной поляризации должно совпадать с направлением поля В. Чаще
всего используется линейно поляризованное (поперек В) поле, которое, как
известно, может быть представлено в виде суперпозиции двух циркулярно
поляризованных полей.
Методом Раби был с большой точностью измерен и магнитный момент нейтрона.
К сожалению, метод молекулярных пучков применим только к нейтральным
частицам, что сужает область его использования. В самом деле, в системе
координат, связанной с частицей (в которой только и имеет смысл понятие
дипольного магнитного момента частицы), движущееся в этой системе
магнитное поле установки приобретает электрическую компоненту Е = [v х
В]/с, которая вызывает сильное смещение при ненулевом электрическом
заряде частиц.
В настоящее время метод молекулярных пучков применяется редко. Большее
значение имеют методы наблюдения магнитного резонанса в твердых телах и
жидкостях, содержащих атомы или ионы с отличным от нуля магнитным
моментом (ядерным или электронным). Энергия атомов с fi 0 во внешнем
магнитном поле зависит от ориентации их моментов. При наложении поля
через некоторое время устанавливается тепловое равновесие; в соответствии
с формулой Больцмана количество атомов, "повернутых вдоль поля" (т. е. с
наименьшей энергией) будет большим, чем количество атомов, "повернутых
против поля" (с наибольшей энергией). Поэтому результирующий магнитный
момент всех атомов образца, помещенного в магнитное поле, оказывается не
равным нулю, т. е. образец намагничивается. С этим и связано название
"парамагнитный резонанс".
Преимущественная заселенность нижних подуровней приводит к тому, что
число атомов, способных поглощать энергию радиочастотного поля,
превосходит число атомов, которые могут ее отдавать. Поэтому при
наблюдении парамагнитного резонанса обнаруживается поглощение энергии
электромагнитного радиочастотного поля. Поглощение электромагнитной
энергии приводит к выравниванию количеств атомов в положениях с разными
проекциями магнитного момента, а процессы релаксации стремятся вернуть
систему к распределению Больцмана. Поэтому величина наблюдаемого эффекта
в стационарных условиях зависит от скорости, с которой устанавливается
равновесие в образце, т. е.
§38. Магнитный резонанс
201
от времени релаксации магнитных моментов. При больших временах релаксации
сигнал парамагнитного резонанса уменьшается по мере выравнивания
концентраций в положениях с различными направлениями спина и, наконец
пропадает вовсе. Это явление носит название насыщения.
Электронный парамагнитный резонанс был открыт советским ученым Е. К.
Завойским в 1944 г. Завойский проводил опыты с радиоволнами с длиной
