Работа 7 электронный парамагнитный резонанс в слабых полях


Скачать 187.42 Kb.
НазваниеРабота 7 электронный парамагнитный резонанс в слабых полях
страница1/2
Дата публикации13.08.2013
Размер187.42 Kb.
ТипДокументы
referatdb.ru > Физика > Документы
  1   2

Работа 7 ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В СЛАБЫХ ПОЛЯХ




Цель работы Наблюдение явления электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в слабых полях. Исследование зависимости величины сигнала ЭПР от взаимной ориентации постоянного и высокочастотного магнитных полей. Исследование зависимости резонансной частоты ЭПР от индукции постоянного магнитного поля. Определение g-фактора электрона. Измерение горизонтальной и вертикальной составляющих магнитного поля Земли.

7.1 Физическая природа магнитного резонанса



В магнитном поле происходит расщепление вырожденных уровней энергии атомов на невырожденные подуровни вследствие того, что магнитные моменты атомов могут ориентироваться по отношению к магнитному полю разными способами. Это приводит, во-первых, к магнитному расщеплению спектральных линий, соответствующих переходам между различными уровнями энергии и, во-вторых, к появлению вынужденных излучательных переходов между подуровнями данного уровня энергии.

Явление расщепления спектральных линий и уровней энергии в магнитном поле называют явлением Зеемана.

Вынужденные переходы между зеемановскими подуровнями данного уровня энергии называют магнитным резонансом. Эти переходы происходят под действием электромагнитного излучения боровской частоты , т.е. при наличии резонанса. Частоты данных переходов лежат в радиочастотной области спектра и изучаются радиоспектроскопическими методами.

Впервые магнитный резонанс наблюдали в 1938 г. Раби и его сотрудники в молекулярных пучках. Сначала были обнаружены резонансные переходы, обусловленные ядерными магнитными моментами протона и дейтрона, а затем (в 1940г.) резонансные переходы, обусловленные электронными магнитными моментами атомов.

Наблюдение магнитного резонанса в молекулярных пучках является очень сложным по своей экспериментальной технике. Поэтому исследования этого явления стали широко развиваться лишь после открытия Е. Завойским (1944 г., г.Казань) электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) – поглощения микроволнового излучения веществом за счёт переходов между зеемановскими подуровнями, связанными с электронными магнитными моментами частиц вещества (определяющими парамагнитные свойства вещества, откуда и название "парамагнитный резонанс").

В 1945 г. американские исследователи (Парселл и другие) открыли ядерный парамагнитный резонанс (ЯМР) – поглощение веществом излучения в области коротких радиоволн, обусловленное ядерными магнитными моментами.
^ 7.2 Расщепление уровня энергии частицы с электронным магнитным моментом
Как отмечалось, частица с магнитным моментом приобретает в магнитном поле дополнительную энергию , величина которой определяется формулой (В.5). Если ось Z выбрать в направлении вектора , то эту формулу можно переписать так:

.

(7.1)

Так как проекция магнитного момента квантуется, то и энергия приобретает ряд дискретных значений, которые добавляются к энергии невозмущённой частицы. Таким образом, происходит расщепление энергетического уровня на ряд подуровней .

Пусть частица (атом или молекула) обладает лишь электронным магнитным моментом. Тогда (с учётом формулы (В.37)) её дополнительная энергия окажется равной

,

(7.2)

причём магнитное квантовое число принимает значения, определяемые формулой (В.38). Следовательно, происходит расщепление уровня на эквидистантных подуровней энергии. Пример такого расщепления приведён на Рис.7.1 для случая атома с квантовым числом полного момента .

Спонтанные излучательные переходы между магнитными подуровнями энергии маловероятны из-за ограничений, связанных с законом сохранения чётности. Однако могут происходить вынужденные переходы между соседними подуровнями под действием внешнего электромагнитного поля, если частота этого поля удовлетворяет правилу частот Бора



Каждому подуровню энергии соответствует определенная ориентация магнитного момента по отношению к вектору магнитной индукции . При этом вектор совершает прецессию, описывая коническую поверхность, ось которой совпадает с направлением . Поскольку набор углов между векторами и составляет дискретный ряд из значений, то об этом говорят как о пространственном квантовании.

Поскольку для соседних подуровней , условие вынужденного перехода приобретает вид

,


(7.3)

которое и определяет циклическую частоту электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). При этом следует иметь в виду, что с равной вероятностью реализуются обе разновидности вынужденных переходов, соответствующие как испусканию, так и поглощению фотона. Излучательные переходы между более далёкими уровнями не происходят: они запрещены правилом отбора по магнитному квантовому числу.

Частота ЭПР, выражающаяся в герцах, может быть легко получена из формулы (7.3)




(7.4)

Нетрудно убедиться, что при типичном значении магнитной индукции B = 0,1 Тл частота ЭПР имеет порядок 104 МГц, что соответствует длине волны . В этом диапазоне работает большинство ЭПР-спектрометров. При магнитной индукции около 1 Гс (10-4 Тл) частота ЭПР имеет порядок 10 МГц. Именно этот случай исследуется в данной лабораторной работе.
^ 7.3 Классическая модель гироскопа применительно к ЭПР
Для более детального описания магнитного резонанса можно воспользоваться классической моделью гироскопа. В постоянном магнитном поле момент импульса частицы, обладающей магнитным моментом, совершает прецессию, аналогичную прецессии волчка под действием силы тяжести.

Эта прецессия возникает в результате появления "опрокидывающего" момента силы



(7.5)

и состоит в том, что вектор магнитного момента , а также связанный с ним вектор момента импульса описывают коническую поверхность, ось которой направлена вдоль вектора магнитной индукции , причём угол между осью и вектором остаётся неизменным (Рис.7.2). Угловая скорость этого движения и является частотой прецессии.

Частоту прецессии легко найти. За малый промежуток времени вектор момента импульса повернётся на угол , а его изменение окажется равным (см. Рис.7.2) . Отсюда для скорости изменения момента импульса получаем

,



Рис.7.2
что в соответствии с законами динамики для вращательного движения должно равняться моменту силы (7.5). Следовательно, циклическая частота прецессии (с учётом формулы (26)) равна

.


(7.6)

Подвергнем теперь прецессирующий магнитный момент действию слабого циркулярно поляризованного переменного электромагнитного поля, магнитный вектор которого вращается в плоскости, перпендикулярной оси прецессии (Рис.7.3).

Такое переменное поле способно изменить ориентацию магнитного момента лишь в том случае, если частота поля (а, следовательно, и частота вращения вектора ) совпадает с частотой прецессии . Это напоминает хорошо известное явление резонанса, происходящее при совпадении частоты вынуждающей силы с собственной частотой колебательной системы. В данном случае собственной частотой является частота прецессии, а вынуждающую силу

создаёт магнитная компонента переменного электромагнитного поля.

Рис.7.3
Отсюда следует, что термин. "магнитный резонанс" физически вполне оправдан, а резонансная частота определяется очевидным соотношением

,


(7.7)

которое совпадает с выражением (7.3), полученным с помощью правила частот Бора.

Если же частота прецессии и частота переменного поля различны (или направления вращения противоположны даже при совпадении частот), то взаимная ориентация векторов и будет непрерывно меняться, а результирующее воздействие поля на магнитный момент будет отсутствовать.

На практике вместо циркулярно поляризованного переменного магнитного поля применяют линейно поляризованное. Как известно, его можно представить в виде суммы двух противоположно вращающихся полей. Соответствующее резонансное воздействие на магнитные моменты осуществит та из двух составляющих, которая вращается в направлении их прецессии.

^ 7.4 Физические принципы регистрации ЭПР
Регистрация парамагнитного резонанса (электронного или ядерного) основывается на том, что в исследуемом веществе, помещённом в постоянное магнитное поле, может происходить поглощение электромагнитного излучения, частота которого удовлетворяет соотношению (7.4).

Чтобы понять физическую причину поглощения излучения, следует обратиться к квантовой модели явления, в соответствии с которой при магнитном резонансе происходят вынужденные излучательные переходы между соседними магнитными подуровнями энергии.

Переход с нижнего подуровня на верхний сопровождается поглощением фотона, а переход с верхнего уровня на нижний – испусканием фотона. Поскольку магнитные подуровни являются невырожденными, то вероятности этих переходов в точности равны между собой. Очевидно, результирующее поглощение излучения будет происходить только в том случае, если заселённость верхнего подуровня меньше заселённости нижнего.

Именно такая ситуация реализуется при термодинамическом равновесии. В этом случае, согласно распределению Больцмана, отношение заселённости нижнего подуровня к заселённости верхнего подуровня оказывается равным:




(7.8)

Здесь – постоянная Больцмана, – температура по шкале Кельвина. Следует отметить, что в типичных условиях наблюдения ЭПР различие в заселённостях невелико. Так, при магнитной индукции и при комнатной температуре отношение заселённостей отличается от 1 лишь на одну тысячную долю, т.е. .

Происходящие в веществе под действием излучения квантовые переходы, очевидно, приводят к выравниванию заселённостей и . Однако внутренние взаимодействия в веществе стремятся восстановить термодинамическое равновесие, а следовательно, и больцмановское распределение. Освобождающаяся при этом энергия отдаётся веществу, в результате чего исследуемый образец немного нагревается. Характерное время этого процесса называется временем спин-решёточной релаксации. Чем меньше время релаксации, тем быстрее устанавливается тепловое равновесие и тем большая энергия (при прочих равных условиях) отбирается образцом от источника высокочастотной мощности. Значения лежат в пределах от 0,1 мс для растворов парамагнитных солей до нескольких часов для очень чистых диамагнитных кристаллов.

Время спин-решёточной релаксации играет важную роль при проведении эксперимента. При обычной постановке опыта резонансное поглощение наблюдается в установке, в которой частота переменного поля или величина постоянного поля периодически меняется, совершая колебания около резонансных значений. При прохождении резонанса происходит увеличение отбора энергии от высокочастотного генератора. Очевидно, достаточно интенсивный сигнал ЭПР будет наблюдаться лишь в том случае, если время между двумя последовательными прохождениями через резонанс окажется значительно больше времени . Только при этом условии будет успевать восстанавливаться больцмановская разность заселённостей подуровней.

Если увеличить мощность высокочастотного излучения, то в конце концов наступает такое состояние, когда процессы релаксации не в состоянии перекрыть поток входящей энергии. При этом населенности и оказываются почти одинаковыми, и величина сигнала магнитного резонанса существенно уменьшается.

Если каким-либо искусственным способом создать инверсию заселённостей, когда , то вещество, наоборот, будет не поглощать, а усиливать электромагнитное излучение резонансной частоты. На этом принципе действуют квантовые усилители.

Электронный парамагнитный резонанс наблюдается во всех веществах, в которых имеются неспаренные (нескомпенсированные) электроны. Неспаренные электроны могут быть как связанными, так и свободными. Так, в электронных оболочках атомов и ионов электроны связаны, причём в большинстве случаев электроны образуют замкнутые оболочки. Замкнутые электронные оболочки не приводят к появлению у атома и иона парамагнетизма, так как у такой оболочки спиновый и орбитальный моменты импульса равны нулю и нет магнитного момента. Однако незаполненные электронные оболочки имеют магнитный момент, и наличие их приводит к появлению парамагнетизма у атомов или ионов. Наиболее известными парамагнитными ионами являются ионы группы железа , , , , , … с незаполненной внешней электронной оболочкой и ионы редкоземельных элементов, у которых парамагнетизм обусловлен незаполненной внутренней электронной оболочкой.

ЭПР легко наблюдается на свободных радикалах – молекулах с незаполненной химической связью. В таких молекулах, по крайней мере, один электрон не спарен. Именно неспаренные электроны свободных радикалов приводят к их повышенной химической активности. Обычно радикалы образуются в ходе химических реакций, благодаря чему метод ЭПР позволяет исследовать кинетику таких реакций.

Для калибровок ЭПР-спектрометров часто используют стабильный свободный радикал дифинилпикрилгидразил (ДФПГ) с одним неспаренным электроном в молекуле. У этого электрона отсутствует орбитальный магнетизм, вследствие чего его магнитный момент практически не отличается от спинового магнитного момента свободного электрона.

Электронный парамагнитный резонанс стал одним из самых мощных методов физического исследования. Область применения ЭПР очень широка. В ионных кристаллах он позволяет определить структуру энергетических уровней магнитных центров, тонкие детали строения кристаллической решётки и параметры, характеризующие кинетику намагничивания. Для физики ядра парамагнитный резонанс ценен как метод определения ядерных моментов и как один из наиболее эффективных способов поляризации ядер.

Особенно плодотворен метод парамагнитного резонанса в химии. Он впервые позволил детектировать свободные радикалы в количествах до 10-13 моля. Успешно применяется парамагнитный резонанс в исследованиях биологических объектов.
  1   2

Похожие рефераты:

Урок раздела «Работа и энергия. Простые механизмы»
При проверке домашнего задания учащиеся ставят отметку на полях о правильности его выполнения
Метод выделения из шумов слабых периодических сигналов
На практике применяют различные методы выделения из шумов слабых периодических сигналов, основанные на использовании одноканальных...
Литература Калашников С. Г. Электричество. М. Наука. 1970. Иродов...
Правило Ленца. Эдс индукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Электрические колебания, резонанс. Переменный ток: Резистор,...
Программа дисциплины «Теория движения и излучения заряженных частиц...
Программа дисциплины «Теория движения и излучения заряженных частиц в электромагнитных полях»
Практическая работа №5. Тема: Стратегическое планирование
Цель работы: закрепление знаний у студентов о стратегическом планировании в организации и его информационной поддержке; развитие...
Учебно-методический комплекс дисциплины «Теория движения и излучения...
Умкд учебно-методические материалы по дисциплине «Теория движения и излучения заряженных частиц в электромагнитных полях»
Программа семинара
«Электронные государственные закупки – Электронный конкурс. Электронный аукцион»
Методические указания для самостоятельной работы студентов под руководством...
Тема Электрическая проводимость растворов электролитов. Кондуктометрический метод определения степени и константы ионизации слабых...
Новые поступления в библиотеку военное дело
Безопасность жизнедеятельности [Электронный ресурс] : электронный учебник [для вузов] / В. Ю. Микрюков. Электрон дан. М. Кнорус,...
Новые поступления в библиотеку радиоэлектроника
Информационные технологии [Электронный ресурс] : электронный учебник [для вузов] / И. А. Коноплёва, О. А. Хохлова, А. В. Денисов....

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
referatdb.ru
referatdb.ru
Рефераты ДатаБаза