Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия) (1040516), страница 10
Текст из файла (страница 10)
АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРЙЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (АЯМР)— обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер поглогцение энергии акустич. Колебаний определенной частоты (избирательное поглощение гбанаяае) в твер- АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС 29 дом теле, помещеннои в постоянное магнитное поле. Это явление аналогично ядерному магнитному резонансу (ЯМР) — поглощению энергии электромагнитных волн определенной частоты (иабирательному поглощению р1атанаа) в веществе, находящемся в магнитном поле. Для большинства ядер резонансное поглощение наблюдается в области УЗ-вых частот от до 100 Мрц. Магнитные свойства 11ногих ядер связаны с тем, что ядро в целом, так же как и электрон, обладает моментом количества двиягения л, илв азизам со спиновым числом 1, Во внешвеи магнитном поле ядра со спинам Х по закопан квантовой механики могут принимать 21 + 1 ориентаций, к-рым соответствуют дискретные уровни энергии. Энергетич.
уровни для изолированных ядерных спиноз во внешнем магнитном поле Я характеризуются значениями энергий: Уж = 'лура)У где т — проекция л на направление магнитного поля, рл = — 5,05 10 э' Дж/Т вЂ” ядерный магнетон, л — ядерный фактор спектроскопич. Расщепления. Акустич. колебания с частотон Д распространяясь в веществе, могут вызвать переход спина с одного уровня энергии на другой, если выполняется условие: — = А( = Лжу+лн, т. е. если энергия фонона равна разности между уровнями эноргий. Переход с нижнего уровня У„, на верхний а„.
„сопровождается по™глощепием фонояа, а переход с верхнего уровня на нижяий — излучением фонона. Когда система ядерных спиноз находится в состоянии термодинамич, равновесия, в веществе имеет место стационарное распределение спиноз по энергетич. уровням с максимальным заполнением нижнкх уровней. В соответствии с распределением Больцмана число спиноз Л', на верхнем уровне с энергией Уз (населенность энергетич. уровня 81) меньше, чем число спиноз Л", на нни1нем уровне 81.
Поэтому прй акустич. колебаниях число актов поглощения превьппает число актов излучения, и в реаультате набл1одается резонансное поглощение фоноиов — АЯМР. Природа реаонансного поглощения фононов связана с передачей энергии акустич. волны ядерной спин-системе вследствие модуляции акустич. колебаниями различных внутренних взаимодействий (см. Спин-4ананнае взаимодействие). В результате передачи энергии происходит иалучение или поглощение фокона в конечной полосе частот; при этом наблюдается и=-Ю/2 1"2 Рва.
1. Уровни энергии ллл лара са саввам 1 = У, а аастаянааы магнитном аале и. Гтралкаыа изображены возможные парехалы для Аямр а частотой ) хля Ат = е 1 в с частотой 2/ алл ат = =Е 2. резонансная линия с характерной для нее ширннои и формой. Прк АЯМР разрешены переходы с Лт = ~1, ~2, в то время как в обычном ЯМР разрешены переходы только с бт = ~ 1 (рис. 1). Эксперименты по АЯМР можно рааделить на две основные группы: эксперименты, в к-рых пеуедача энергии акустнч.
колебаний наолюдается в виде добавочного погло1цения УЗ (метод прямого акустич. резонанса), и эксперименты, в к-рых действие акустич. волн регистрируется по насыщению линий АЯМР (метод акустич. насыщения ЯМР). Обычные УЗ-вые методы позволяют обнаруживать изменения поглощения в твердых телах — 10 э, в то время как при ЯЫР можно наблюдать изменение поглощения звука — 10 ". Чтобы достигнуть чувствительности, необходимой для прямого измерения поглощения звука ядерными спинами, применяются методы, основанные на использовании высокой добротности механич. резонатора, выполненного в виде кристалла, торцы к-рого изготовлены оптически плоскими и параллельными. Для проведения экспериментов методом прямого акустич. реаонанса при работе в непрерывном режиме пользуются спектрометром АЯМР (рис.
2). Он содержит составной ревонатор в виде образца 1 с двумя пре- АКУСТИз1ЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЭОНАНС обрааователями 2 и 8 (приведена епроходнаю схема). В частотной характеристике резонатора наблюдается спектр уаких линий (рис. 3), каж- Рис. 3. Блок-схема електрометра АЯМР, исяольауемого для исследований методом прямого акустичесного логлощення: 7 — кристалл; à — нреобразозатель; 3— лриемннк ультразвука; З вЂ” генератор спч-нолебаннй; з — согласующая схема; З вЂ” чувствительный лрисмннк; 7 — само- нисеп1 з — магнит. дая из к-рых соответствует собственным механич.
колебаниям образца. Генератор й (рис. 2) высокочастотных колебаний АЯМР-спектрометра настроен на частоту одного на механпч, собственных колебаний составного резонатора. Е помощью высокочастотных согласуюгцих цепей б, включенных между генератором и резонатором, добиваются того, чтобы амплитуда нысокочастотных колебаний в контуре генератора стала чувствительной к весьма малым изменениям поглощения звука в образце. Резонатор, содержащий исследуемые ядра, помещается н магнитное поле — (кд, к-рое медленно изменяется, проходя через значения, соответствующие резонансу.
Поглощение энергии акустнч. колебаний системой ядерных спиноз проявляются в виде резонансного поглощения, зависящего от магнитного поля, н отличие от фонового поглощения,к-рое не аависит илп слабо аависит от частоты. Метод прямого Рнс. 3. Сиектр механических колебаний монокристалла меди, налученный прн надаче сигнала «ачаюшейся частоты. Сред- нян частота 10 МГЛ. акустнч. возбуждения ядерных спиноз позволяет исследовать металлы и нпзкоомные полупроводнини, т. е.
вещества, где трудно применять тех- нику ЯМР. Он позволяет регистрировать форму линий АЯМР, аависимость интенсивности АЯМР и ширины линий от различных факторов: дефектов кристаллпч. структуры, квадрупольных расщеплений и др. Изучение АЯМР методом акустнч. насыщения основано на том, что величина сигнала ЯМР пропорциональна равности населенностей уровней, меигду к-рыми наблюдается ЯМР.
Если в кристалле возбуждены акустич. колебания с частотой, равной частоте АЯМР, и столь мощные, что число ядерных спиион, переходящих с нижнего энергетнч. уровня па верхний из-за ЯМР, больше, чем числоспннов.переходящих с верхнего на нижний из-за спин-решеточной релаксации, то рааница населенностей между указанными уровнями уменьшаетоя.
Зто приводит к ослаблению сигнала яМР, Рис. а. Блоксхема слектрометра АЯМ1', исиольауемого для исследований методом акустического насыщенин: 7 — кристалл; з — преобразователь; г — уаьтраззуко. аой передатчик; з — удвоитель частоты; 5 — сяектрометр ЯМР; Š— синхронный детектор; 7 — модулятор; з — самоинсеп; З -- полюс магнита, ноле к-рого лернен- дикулярно плоскости рисунка.
т. е. к его насыщению, В результате измерений методом акустич. насыпгения ЯМР находят зависимость ядерного спин-фононного поглощения от А 7А о, гДе А з — амплитУда сигнала ЯМР в отсутствии акустич. колебаний, а А — амплитуда этого сигнала прн акустич, возбуждении, Прн исследовании АЯМР методом акустич. насыщения в непрерывном режиме (рис. 4) кристалл 1 помещаетсл в постоянное магнитное поле и в поле высокочастотных колебаний ЯМР-спектрометра 5.
Частота генератора удваивается с помощью удвоптеля я, н напряжение удвоенной частоты 2то усиливается в УЗ-вом передатчике 8, выход к-рого используется для возбуждения кварцевого преобрааователп 2, приклеенного к образцу. Визы- АКУСТООПТИКА ввя переходы с Лт = — + 2, УЗ-вые колебания насыщают стационарный сигнал ЯМР. Возбуждение УЗ-вых колебаний с частотой 2 ты соответствующей Лт = 2.2, выбирается для того, чтобы уменьшить вероятность переходов на резонансной частоте тв, обусловленных алектромагнитными паводками цепи УЗ-ваго преобрааователя. Когда постоянное иоле медленно проходит резонансное значение, рогкстрируется форма сигнала ЯМР.
Б импульсном методе акустич, насыщения используется стандартная импульсная методика регистрации ЯМР. К обычному импульсному ЯМР-спектрометру добавляется генератор, возбуждающий УЗ-вой креобразователгн иРиклееиный к оДномУ из торцов исследуемого образца. Частота УЗ-вых колебаний соответствует частоте АЯМР с Лт = ~ 2. Для количественной интерпретации данных по акустическому насыщению требуется анаиие плотности энергии акустнч. волны либо амплктуды деформации кристалла. Метод стационарного акустич. насьпценпя нмеет ряд недостатков по сравнению с импульсной методикой: под влиянием акустич. насыщения меняется ие только интенсивность, но и форма линии ЯМР, для !интерпретации эксперимента необходимо намерять время спин-решеточной релаксации, к-рос проще определяется импульсным методом.
Поэтому стационарное акустич, насыщение обычно используют в тех случаях, когда затруднено применение импульсного метода акустич. насып1еиия, т. е. в случае больших времен релаксации, пхироких линий и др. Применение АЯМР позволяет расширить возможности ЯМР и получить дополнительную информацию о строении твердого тела. АЯМР широко используется при исследованиях в металлах и нпзкоомиых полупроводниках (напр., )ВЗЬ), когда применение обьхчного ЯМР затруднительно вследствие спин-эффекта, не поэволяхощего электромагнитному полю проникнуть внутрь образца. АЯМР— метод исследования ядерного спин-фононного вааимодействия.
Он позволяет изучать при комнатных темп-рах однофононные процессы, к-рые в обычном ЯМР проявлявзтся только при очонь низких темп-рах. АЯМР позволяет получать информацию о влиянии дислпкауий и других дефектов кристалла на форму резонансных линий, о величине и природе внутренних магнитных полей, а также о процессах тепловой релаксации в магнитных иатериалах, в частности о рэли взаимодействия фононов со спиновыми волнами хсм.
Магнитву!кругив волны). АЯМР можно использовать для иекогеронтной регистрации нелинейных фонон-фононных взаимодействий в тверрых телах. лит: к е с с е л ь А. Р., ядерный акусткческкй ренекаис, М., 1969; Ш у т ил в в В. А., «Акуст, к«в, 1962, № 8, с. ЗЗЗ; «Риза««скак акустика, кск рел. У. Мэзака, ивр. с акгп., т. 4, ч. А, М., 1969, гл. 3; Г олекктев-Кутузов В. А. и кр., Магиктнак квактсвак акустика, М., 1977. В. Г.
Вазаллн. АКУСТИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИŠ— см. Илквданв акувти«епкин. АКУСТООПТИКА — область физики, изучающая явления взаимодействия электромагнитных волн со звуковыми волнами в твердых и гкидких телах, и одновременно область техники, в к-рой создаются различные приборы па основе этих явлений. Взаимоденствие света со звуком широко используется в современной оптике, оптоэлектронике, лааерной технике для управления когерентным световым излучением. Акустооптпч. устройства позволяют управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и направлением распространения светового луча, Акустооптич.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
