Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Метод магнитного резонанса с использованием нейтральных молекулярных пучков отличается большой точностью. Важное достоинство этого метода состоит в том, что в нем воздействию радиочастотного поля подвергаются свободные частицы. Однако в экспериментальном отношении метод очень труден и требует, в частности, специальной вакуумной техники. Поэтому молекулярные пучки применяются сравнительно редко.
7. Широкое распространение получил не менее точный, но более простой в экспериментальном отношении метод магнитного резонанса, в котором используются макроскопические количества вещества в твердом, жидком или газообразном состоянии. Атомы, молекулы или ионы такого вещества должны обладать магнитными моментами — электронными или ядерными. При помещении исследуемого образца в сильное постоянное магнитное поле В в результате междуатомных столкновений спустя короткое время устанавливается состояние равновесия, в котором образец оказывается намагниченным. Это — электронный или ядерный парамагнетизм, а потому метод и получил название ЭПР или ЯМР.
Частица, магнитный момент которой ориентирован по полю, обладает меньшей энергией, чем такая же частица с магнитным моментом, ориентированным против поля. По формуле Больцмана в состоянии равновесия число первых частиц будет больше, чем вторых. Иными словами, нижние подуровни
268
ДАЛЬНЕЙШЕЕ построение КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ [ГЛ. V
зеемановского расщепления окажутся заселенными больше, чем верхние.
Оценим разность заселенностей подуровней при комнатной температуре Т = 293 К в предположении, что магнитный момент частицы равен одному магнетону Бора, ш = 9,27Х X Ю-21 эрг/Гс, a fi = 5-103 Гс. Если «2 — число частиц на верхнем подуровне 8ч, a ti\ — на нижнем подуровне 8\, то по фор-муле Больцмана
"і __ р„п ( \ _ і і ~ __ і і «2 \ kT + kT ¦
так что
=2,3 .10-3.
п kT
Значит, разность заселенностей двух соседних подуровней составляет всего около 0,2 % от заселенности одного из этих подуровней.
Несмотря на столь ничтожную величину этой разности, она может проявиться макроскопически, поскольку число частиц на каждом подуровне весьма велико. При вынужденном переходе частицы с верхнего подуровня на нижний испускается квант энергии, соответствующий разности энергий этих подуровней. При переходах с нижнего уровня на верхний расходуется энергия радиочастотного поля. Спонтанные переходы с излучением энергии пз-за их относительной редкости могут не приниматься во внимание. В результате поглощение энергии будет превалировать над излучением, несмотря на то, что вероятности прямых и обратных переходов одинаковы (см. т. IV, § 119). Такой разностный эффект достигнет максимума при совпадении частоты радиочастотного поля с ларморовской частотой прецессирующей частицы, т. е. при резонансе. В максимуме поглощения энергии радиочастотного поля вблизи ларморовской частоты и проявится магнитный резонанс.
В результате преобладающих переходов частиц с нижних уровней на верхние энергии подуровней начнут выравниваться. Этому препятствуют релаксационные процессы, стремящиеся восстановить первоначальное равновесное состояние. Поэтому, чтобы магнитный резонанс был выражен достаточно резко, необходимо, чтобы период радиочастотных колебаний был мал по сравнению с временем релаксации, в течение которого восстанавливается равновесное состояние.
8. Электронный парамагнитный резонанс был открыт Е. К. Завойским (1907—1976) в 1944 г. Его первые наблюдения были произведены на солях группы железа. В дальнейшем круг изучаемых веществ значительно расширился. Завойский производил свои исследования с радиоволнами дециметрового диапазона, а потому в соответствии с формулой (42.2) пользовался
МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
269
магнитными полями В небольшой напряженности. В связи с развитием техники ультракоротких волн позднее в методе ЭПР стали применять радиоволны сантиметрового диапазона.
В современных радиоспектроскопах частоту радиосигнала поддерживают постоянной, а магнитное поле В модулируют низкой частотой (50 Гц). Схема радиоспектроскопа показана на рис. 78. Электромагнит NS питается постоянным током и создает сильное постоянное магнитное поле. Это поле модулируется катушками КК, питаемыми переменным током с частотой 50 Гц. Исследуемый образец А объемом в несколько мм3 помещают в объемный резонатор R, настроенный на длину волны А ~
~ 3 см. Электромагнитные волны такой длины генерируются отражательным клистроном и подводятся к резонатору R через волновод F. После частичного поглощения в образце А они, также через волновод, поступают к кристаллическому кремний-вольфрамовому детектору D, где детектируются и могут быть усилены. Парамагнитное поглощение может быть обнаружено, если детектор соединить с чувствительным гальванометром. Еще большая чувствительность достигается, если сигнал от детектора, усиленный усилителем Y, развернуть на экране осциллографа (не указанного на рис. 78). Сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины осциллографа. Горизонтальное отклонение фиксирует мгновенное значение магнитного поля В. Это отклонение должно быть сфазировано с модуляцией магнитного поля В. На экране осциллографа получается кривая парамагнитного поглощения вещества, аналогичная кривой рис. 77. Современные радиоспектроскопы при нормальной температуре позволяют обнаруживать ЭПР в образцах, содержащих до 1011—1012 парамагнитных частиц.
