Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
волны, равной нескольким дециметрам (в небольших магнитных полях). В
связи с развитием техники сантиметровых волн в последнее время для
наблюдения ЭПР стали использоваться спектрометры, работающие на длине
волны 3 см. Схема наиболее простого такого прибора показана на рис. 79.
Исследуемый образец 1 помещается внутрь объемного резонатора 2.
Источником монохроматического СВЧ излучения является клистрон 3 (4 - блок
питания клистрона, 5 - волномер). От клистрона по волноводу 6 излучение
поступает в резонатор 2, проходит сквозь него и принимается детектором 7.
Магнитное поле с помощью специальных модуляционных катушек 8 колеблется
около значения Во, соответствующего резонансному условию (7.12). В тот
момент, когда оно проходит через значение Во, поглощение СВЧ мощности в
веществе увеличивается, и прозрачность резонатора падает. Соответственно
уменьшается сигнал, поступающий с детектора через усилитель 9 на
вертикальные пластины осциллографа 10. Горизонтальная развертка
осциллографа синфазна с модуляцией магнитного поля (11 - генератор
модуляции магнитного поля, 12 - фазовращатель, 13 - основная обмотка
электромагнита). На экране возникает характерная линия поглощения.
С помощью ЭПР получено много важных сведений о кинетике химических
реакций, в особенности тех, в которых образуются свободные радикалы,
часто играющие роль промежуточных звеньев реакции. Свободные радикалы
подобно одновалентным атомам обладают одним электроном с
некомпенсированным спином; для них J = 1/2 и ц = цв. Изменение
концентрации радикалов в процессе химических реакций легко
обнаруживается, если только их количество не слишком мало.
Пёрселл и Блох (1946 г.) разработали методы наблюдения ЯМР в
конденсированных средах. На рис. 80 изображена упрощенная схема установки
для наблюдения ЯМР, работающей по методу поглощения (/ - контур
генератора, 2 - дополнительная катушка, 3 - усилитель, 4 - осциллограф и
5 - образец). Исследуемое вещество помещается в катушку, входящую в
состав колебательного контура генератора радиочастоты. Вся установка
расположена в сильном однородном магнитном поле1, вызывающем зеемановское
расщепление энергетических
*Для получения сильных полей (до 20-104 Гс) используются сверхпроводящие
магниты.
202
Глава 7
Рис. 79. Блок-схема прибора для наблюдения ЭПР.
Рис. 80. Исследование ЯМР по методу поглощения.
уровней ядер в образце. Катушка контура располагается так, чтобы
переменное поле, создаваемое генератором, было перпендикулярно к
постоянному магнитному полю. Если частота генератора удовлетворяет
условию (7.12), возникает заметное поглощение энергии и падает
добротность колебательного контура. При этом наблюдается уменьшение
амплитуды или даже полный срыв генерации. Чаще всего во время опыта
частоту генератора не меняют, а напряженность магнитного поля слегка
модулируют. Как и при наблюдении ЭПР, сигнал, пропорциональный
добавочному магнитному полю, подается на горизонтальный вход
осциллографа, а амплитуда генерации наблюдается по вертикальной оси. На
огибающей высокочастотного напряжения наблюдается при этом характерный
провал.
Метод поглощения с экспериментальной точки зрения проще метода
молекулярных пучков и обладает не менее высокой точностью. Этим методом
можно изучать вещества в твердом и жидком состояниях, в то время как
метод пучков позволяет исследовать изолированные молекулы и атомы. Метод
поглощения позволяет проводить исследование с образцами, содержащими
всего 1011 атомов.
С помощью магнитного резонанса был наиболее точно измерен магнитный
момент протона. Значения магнитных моментов протона и нейтрона,
полученные описанными выше методами, приведены в гл. 14, §72.
Как уже отмечалось, аппаратура для наблюдения ЯМР работает в хорошо
освоенной области частот. Это позволяет использовать ядер-
§38. Магнитный резонанс
203
ный резонанс для измерения и стабилизации магнитных полей, причем с
помощью сравнительно простой аппаратуры удается достичь погрешности 10-5.
Укажем на еще одно важное применение метода ЯМР. В последние годы этот
метод все шире используется в медицинской интроскопии ("внутривидении")
подобно рентгеновским лучам и радиоактивным нуклидам, в отличие от
которых он совершенно безвреден. При ЯМР-диа-гностике используется сигнал
резонанса от протонов, концентрация которых особенно велика в мягких
тканях. При опухолях и других нарушениях структуры тканей концентрация
водорода меняется и сигнал резонанса усиливается или ослабляется. Метод
ядерного магнитного резонанса является важным дополнением к рентгеновской
диагностике, при которой мягкие ткани видны плохо и которая более
пригодна для исследования скелета. (При рентгеновской диагностике сосудов
и мягких тканей в кровь или во внутренние полости организма приходится
вводить контрастные вещества.)
Разновидностями электронного магнитного резонанса являются ферромагнитный
и антиферромагнитный резонансы, связанные с изменением ориентации
