13.3.Қысқаша теория.

Магнит ө рісіне орналастырылғ ан атомдарда бұ лардың энергетикалық дең гейлері бірнеше дең гейшелерге жіктеледі. Бір дең гейдің тө менгі дең гейшелерінен жоғ арғ ы дең гейшелеріне ө здігінен ауысулары мү мкін емес. Бірақ та осындай оуысулар сыртқ ы электромагниттік ө рістің ық палынан іске аса алады. Мұ ның іске асуының қ ажетті шарты электромагниттік ө ріс жиілігінің жіктелген дең гейшелер арасындағ ы энергия айырымына сә йкес келетін жиілігімен дә л келуі болып табылады.

Осы жағ дайда электромагниттік ө ріс энергиясының жұ тылу қ ұ былысын бақ ылауғ а болады; осы қ ұ былыс магниттік резонанс деп аталады. Магниттік моментті тасымалдаушы бө лшектің тү ріне байланысты электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) жә не ядролық магниттік резонансболып бө лінеді. Электрондық парамагнитті резонанс (ЭПР) деп электромагниттік энергияны парамагниттік бө лшектері бар заттардың резонанстық жұ туын айтады.

Парамагниттік бө лшектерге жататындар:

1) электрон саны тақ атомдар мен молекулалар(мысалы, сутегі, азот атомдары, NO молекуласы);

2) жұ птаспағ ан электрондары бар химиялық қ осылыстардың еркін радикалдары (мысалы СH₃);

3) ішкі қ абық тары ішінара толтырылғ ан иондары (мысалы ауыспалы элементтері ионы);

4) Кристалдағ ы боялу центрлері;

5) металдар мен жартылай ө ткізгіштердегі ө ткізгіштік электрондары.

Тұ рақ тылар В магнит ө рісінде парамагниттік бө лшектің (мысалы, спині S жә не магниттік моменті µ атомның ) энергия дең гейі 2S+1 дең гейшеге жіктеледі; бұ лар энергия бойынша ∆ Е=2µВ(1)шамасына бір бірінен ө згеше болады(Зееман эффектісі, 13. 2сурет)

Сурет 13. 2. Sспиндерінің магнит ө рісінде кең істіктің квантталуы жә не энергетикалық дең гейлердің жіктелуі; а-еркін электрон, б-бірнеше электроны бар жә не спині S=1парамагниттік бө лшек, в-спині S=5/2 бө лшек [51]

Еркін электрон S=1/2қ арапайым жағ дайында(13. 2а-сурет), магниттік момент мынағ ан тең

µ=g_sµВms (13. 2)

мұ ндағ ы

g_s=1+ =2, 0023

еркін электронның g-факторы, µ_В-Бор магнетоны, m_s=±1/2(магниттік кванттық сан).

В ө рісте электронның Е энергиясы екі мә н қ абылдай алады:

(13. 3)

жә не

(13. 4)

Магниттік дең гейшелер арасында ауысулар элетромагниттік энергия кванты осы дең гейшелер арасындағ ы ∆ Е энергиялардың айырымына тең болғ анда мү мкіндік болады:

(13. 5)

Электронның бір дең гейшеден басқ асына ауысуы спиннің бағ ытының ө згеруімен бір мезетте қ абат ө теді:

(13. 6)

Сурет 13. 3. Еркін электронның сыртқ ы тұ рақ ты Н магнит ө рісіндегі айнымалы электромагниттік ө ріс энергиясын жұ туы[51].

Тө менгі дең гейден жоғ арғ ы дең гейге ауысқ анда энергия жұ тылады, ал кері ауысу болғ анда энергия шығ арылады(13. 3-сурет). Осы процестердің ық тималдылығ ы бірдей, бірақ термодинамикалық тепе-тең дік жағ дайында, Больцман ү лестірілуіне сә йкес

)

тө менгі дең гейдің N₁қ оныстануы жоғ арғ ы дең гейдің N₂ қ оныстануына қ арағ анда ү лкен болады да энергия жұ тылады. Егер қ андайда бір жолмен қ оныстанулардың N₁> N₂инверсиясы жасалғ ан болса, онда электромагниттік ө рістің ә рекетінен жү йе энергияны шығ аратын болады.

Бірнеше электроны бар бө лшектер ү шін S ½ -ге еселенген кезкелген мә н қ абылдай алады(13. 2б, 13. 2в-сурет), ал дең гейлердің энергиясы

болады, мұ ндағ ы m_S=S, S-1, … -(S-1), -S 2S+1 мә ндерін қ абылдай алады.

g – факторының шамасы электронның спиндік жә не орбиталдық импульс моменттерінің қ осындысы мә німен анық талады жә не ол g_S-тен бірнеше есе ө згеше бола алады. m_Sбойынша шамасына ө згеше дең гейлер арасында магниттік дипольдік ауысулар мү мкін болады жә не резонанс шарты бұ рынғ ыдай (13. 5) формуласымен сипатталады:

Cурет13. 4-сурет. Энергтикалық дең гейлердің жіктелу схемасы; а-ішкі кристалдық ө ріспен ә серлескенде; б-электронның ядромен ә серлесуін ескергенде[51].

Электрондардың ішкі кристалдық ө ріспен ә серлесуі S≥ 1 ү шін энергия дең гейлерінің мә ндері ә ртү рлі магнит ө рісі жоқ тада (Н=0) жіктелуін туғ ызады. Осының нә тижесінде ЭПР спектрінде бірнеше жұ тылу сызығ ы байқ алады. (нә зік тү зіліс, 13. 4а-сурет).

Электрондардың парамагниттік атом ядросының магниттік моментімен ә серлесуі ЭПР спектрінде аса нә зік тү зілістің пайда болуына алып келеді.

Жұ птаспағ ан электрон бір протонмен (протонның спині ) ә серлесетін атомды қ арастырайық. Сыртқ ы Н магнит ө рісінде, электрон ү шіндегідей, протонның магниттік моментінің екі бағ далануы іске асады; ө ріс бағ ытында жә не ө ріске қ арсы .

Протонның магниттік моменті электрон тұ рғ ан орында қ осымшаΔ Н₁магнит ө рісін туғ ызады. Сондық тан сыртқ ы магнит ө рісінің Н₀кернеулігі жағ дайында атомдардың болатын бір бө лігінің жұ птаспағ ан электрондары қ осынды ө рісте болады. болатын атомдарда қ осынды ө ріс шамасы болады.

Магнит ө рісінде ядролары жә не кү йлерінде болатын атомдардың энергиялары іс жү зінде ажыратылмайды, сондық тан осы кү йлердегі ядролар саны іс жү зінде бірдей болады. Осыдан +Δ Н₁жә не -Δ Н₁қ осымша ө рістерде тұ рғ ан электрондар саны да бірдей болады. Сонымен, жұ птаспағ ан электронның ә рбір энергетикалық дең гейі екі бірдей қ оныстанғ ан дең гейге жіктеледі. (13. 4б-сурет).

Электрондық ауысулар жағ дайында сұ рыптау ережесі Δ m₁=0. Бұ л демек, электрондық ауысу уақ ыты ішінде ядролық спиннің бағ дарлануы ө згермейді. 13. 4б-суреттен дең гейлердің жіктелуі нә тижесінде бір жұ тылу сызығ ы орнына екеуі байқ алады. Біреуі екіншісі сыртқ ы магнит ө рісі кернеуліктерінде спектрдегі сызық тардың ара қ ашық тығ ы аса нә зік жіктелу деп аталады, жә не ол кө бінесе магнит ө рісінің кернеулігі бірлігінде ө лшенеді, бірақ жиіліктер бірлігінде де ө лшеуге болады. ал шамасы электрондық тығ ыздық тың ү лестірілуіне тә уелді. Парамагниттік бө лшектің электрондарының ядроларының ядролардың магниттік моменттерімен ә серлесуі ЭПР сызығ ын жіктейді. Аса нә зік жә не супер аса нә зік тү зілістерді зерттеу жұ птаспағ ан электрондардың орналасқ ан орнын анық тауғ а мү мкіндік береді.

Сурет 13. 5 ЭПР-дің ө лшеуіш кө пірінің принциптік схемасы[51].

13. 5-суретте электрондық парамагниттік резонатордың ө лшеуіш кө пірінің схемасы келтірілген. Кө пірбір бұ тақ тағ ы R кедергілер магазинінен жә не басқ а бұ тақ тағ ы резонатор тізбегінен тұ рады. Зерттелінетін зат резонатор тізбегінде тұ рғ ан катушкағ а орналастырылады. Кө пір бұ тақ тардың толық кедергілері бірдей болатындай жә не а жә не в нү ктелері арасындағ ы потенциалдар айырымы нө лге тең болатындай етіліп жасалғ ан. Егер сыртқ ы магнит ө рісі затта энергияның жұ тылуы байқ алатындай берілсе, онда а жә не в нү ктелері арасындағ ы кернеу ө седі.

Жұ мыста орам саны n = 250 жә не радиусы R = 0, 054 м Гельмгольц катушкалары қ олданылады, катушкалардың симметрия осінде жатқ ан нү ктедегі бұ лардың сыртқ ы магнит ө рісін мына формуламен анық тауғ а болады:

(13. 9)

мұ ндағ ы μ ₀ = 1, 256·10^-6Тл·м/А.

n жә не R-ді ескеріп табамыз: В = 3, 74765·10^-3IТл/А.

g – фактор ү шін (5) формуладан

(13. 10)

немесе

(13. 11)

мұ ндағ ы B_rтеслада, немесе

(13. 12)

мұ ндағ ы I_rтогы амперде алынғ ан.

⇐ Предыдущая 27 28 29 30 313233 34 35 36 Следующая ⇒