- •Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
- •Спектроскопический метод
- •Спектроскопический метод
- •Спектроскопический метод
- •Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
- •Энергия взаимодействия магнитного момента яд-
- •Сдругой стороны, та же самая разность, согласно
- •Итак, чтобы определить магнитный момент ядра, на- до измерить резонансную частоту ωрез при
- •Для того, чтобы на осциллографе (или на экране мо-
- •Применения ЯМР
- •Отметим три особенности этого спектра:
- •В приложениях ЯМР очень важными являются ре- лаксационные явления. Когда внешнее ВЧ-поле
- •Для измерения магнитных моментов нестабильных частиц (нейтронов, мюонов, пи-мезонов и др.) американский физик
- •Схема установки для определения магнит- ных моментов частиц в пучке методом Раби
- •Неоднородное поле Н1 поляризует пучок частиц (на- пример, нейтронов), и искривляет его траекторию.
- •Примеры применения метода Раби
Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
31 (2). Методы измерения спина и магнитного момента ядра. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
Спектроскопический метод
Сверхтонкая структура оптических спектров воз- никает из-за взаимодействия магнитных момен- тов ядра и электронной оболочки.
JА = JЯ + JЭ
JА = JЯ + JЭ, JЯ +JЭ -1, ..., |JЯ- JЭ|,
т.е. всего (2k+1) значений, где k - меньшее из чи- сел JЯ и JЭ. Это же число (2k+1) равно числу компонент в сверхтонком расщеплении. Поэто- му если JЯ < JЭ , то спин ядра можно найти про- стым подсчетом компонент в сверхтонком рас- щеплении спектральных линий. Если JЯ > JЭ , то приходится применять другие методы.
Спектроскопический метод
Например, экспериментально найдено, что уровень 3S1 атома 111Cd48 расщеп- ляется на два подуровня. Отсюда сле- дует, что 2k+1 = 2, т.е. k =1/2. Но JЭ = 1 (это указано справа внизу в обозначе-
нии терма), поэтому k = JЯ = 1/2.
111 |
равен |
1 |
|
Итак, спин ядра атома Cd48 |
2 |
|
|
|
|
|
Спектроскопический метод
Еще пример. Экспериментально найдено,
что основной терм 4F9/2 атома 59Co27 со-
держит 8 компонент сверхтонкого рас-
щепления. Отсюда следует, что 2k+1= 8, т.е. k = 7/2. Но JЭ = 9/2 (указано в обо-
значении терма), поэтому k = JЯ = 7/2.
Итак, спин ядра атома 59Co27 равен
72
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
Парселл (Purcell), Блох (Bloch), 1946г, Нобелевская
премия 1952г)
1-Магнит, создающий сильное постоянное
магнитное поле B.
2-Катушки, создаю- щие модулирующее переменное магнит-
ное поле Bm. 3-Катушка, создаю- щая слабое ВЧ-поле,
B', перпендикуляр-
ное полю B. 4 - Исследуемый образец. 5 - ВЧ-гене- ратор. 6 - Осциллограф или измеритель силы тока.
Энергия взаимодействия магнитного момента яд-
ра с внешним магнитным полем равна:
E B B0mj
где магнитное внутреннее квантовое число mj при- нимает значения:
mj = j, j-1, j-2, ..., -j
Вотсутствие ВЧ-поля большинство ядер находят- ся на низшем уровне E0= B0(-j), а при включении поля на резонансной частоте ядра переходят на следующий уровень E1= B0(-j+1). Для этого пе- рехода нужна энергия
E = E1 -E0 = B0(-j+1) - B0(-j)= B0
Сдругой стороны, та же самая разность, согласно
правилу частот Бора, равна:
E рез B0
Таким образом, измерив резонансную частоту и со- ответствующую индукцию магнитного поля, можно определить магнитный момент ядра:
|
рез |
|
B0 |
(31.1) |
Зная магнитный момент, можно найти спин ядра, ис-
пользуя соотношение между ними: |
|
= gJ я , |
(31.2) |
где я - ядерный магнетон, g - гиромагнитное отно-
шение (эти величины мы рассмотрим позже).
Итак, чтобы определить магнитный момент ядра, на- до измерить резонансную частоту ωрез при фиксиро- ванной индукции магнитного поля B0, или наоборот, зафиксировав ωрез, найти соответствующее значение индукции B0.
Для того, чтобы на осциллографе (или на экране мо-
нитора компьютера) была удобная для наблюде-
ния стационарная картина, к основному полю B добавляют параллельное ему переменное низко-
частотное (fm=50Гц) модулирующее поле Bm такое,
что суммарное поле B(t) = B + Bmsin(2π fmt) периоди- чески проходит через значение B0, и тем самым вводит ядра исследуемого образца в резонанс и
выводит из него. В промежутках между резонанса-
ми ядра успевают вернуться на нижний энергети- ческий уровень, каждое прохождение через резо-
нанс сопровождается поглощением энергии, бла-
годаря чему на осциллографе получается стацио- нарная резонансная кривая.
Применения ЯМР
ЯМР нашел применение не только в ядерной физи-
ке, но и в биологии, в медицине (магниторезонанс-
ная томография), в геофизике для исследований в магнитном поле Земли, для создания приборов
гидродинамического контроля, в материаловеде-
нии, в химии. В качестве примера рассмотрим ЯМР-спектр этилового спирта CH3-CH2-OH