AtomLab_labwork_2-2 (829248)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

© www.phys.nsu.ruО. И. МешковЭлектронный парамагнитный резонансОборудование: ЭПР-спектрометр ЭПР-10 МИНИ, осциллограф, персональный компьютер,образцы исследуемых веществ в ампулах.Цель работы — исследование явления электронного парамагнитного резонанса вобъемных образцах.ВведениеЯвление электронного парамагнитного резонанса было открыто в 1944 г. ЕвгениемКонстантиновичем Завойским 1, который обнаружил, что монокристалл CuCl2, помещенный впостоянное магнитное поле 4 мТл, поглощает микроволновое излучение с частотой около 133 МГц.Поглощение электромагнитного излучения имело избирательный (резонансный) характер, т.

е.наблюдалось лишь при определенном соотношении между напряженностью постоянного магнитногополя и частотой переменного электромагнитного поля. Поэтому открытое явление получило названиеэлектронного парамагнитного резонанса (ЭПР).Метод ЭПР нашел широкое применение в физике, химии, биологии и медицине. В частности,электронный парамагнитный резонанс – один из основных прямых методов обнаружения иопределения свободных радикалов и нестабильных комплексов металлов переменной валентности(Fe, Cu, Co, Ni…), имеющих неспаренный электрон на молекулярной орбитали.ПарамагнетизмМагнитные свойства атомов и молекул определяются магнитными моментами электронов, атакже протонов и нейтронов, входящих в состав атомных ядер.

Магнитные моменты атомных ядерсущественно меньше магнитных моментов электронов, поэтому магнитные свойства веществаопределяются, главным образом, магнитными моментами электронов. Магнитные свойстваэлектронов в атомах обусловлены их орбитальным движением вокруг ядра (орбитальныймеханический момент), а также существованием собственного механического момента электрона,получившего название спина.В зависимости от электронного строения атомы и молекулы могут различаться своимимагнитными характеристиками. Вещества, молекулы которых обладают отличными от нулямагнитными моментами, называются парамагнетиками. Парамагнетиками являются некоторые газы,например молекулярный кислород О2, окись азота NO, щелочные металлы, различные солиредкоземельных элементов и элементов группы железа.

Магнитный момент M парамагнитногообразца складывается из магнитных моментов μ i входящих в него парамагнитных частиц:NM   μ i , где N – число парамагнитных частиц. При отсутствии внешнего магнитного поля Hi11Завойский Евгений Константинович (1907–1976) — физик, основатель казанской научной школы,академик АН СССР (1964), Герой Социалистического Труда (1969). Открыл электронный парамагнитныйрезонанс (1941, совместно с С. А.

Альтшулером и Б. М. Козыревым; опубликован в 1944 г.). Под руководствомЕ. К. Завойского разработан метод турбулентного нагрева плазмы; создана люминесцентная камера.Разрабатывал методы применения релятивистских электронных пучков для управляемого термоядерногосинтеза (1968). Государственная премия СССР (1949), Ленинская премия (1957).169© www.phys.nsu.ruхаотическое тепловое движение парамагнитных частиц приводит к усреднению до нуля суммарногомагнитного момента ( M  0 ). Если же парамагнетик поместить в постоянное магнитное поле H, томагнитные моменты частиц μ i ориентируются вдоль направления вектора H, поэтому возникаетотличный от нуля суммарный магнитный момент, т.

е. образец намагничивается.Рассмотрим магнитные свойства свободного парамагнитного атома. Согласно законамквантовой механики, орбитальный механический момент электронаpl   l (l  1) , где l –орбитальное квантовое число. Орбитальный магнитный момент электрона l   B l (l  1) , где B  e / (2mc) – магнетон Бора. Отношение магнитного момента к механическому моментуe, выражаемое обычно в единицах e / (2mc) , называется гиромагнитным2mcотношением. Знак «–» означает, что магнитный и механический моменты противонаправлены.электрона    gВ случае магнетизма, обусловленного орбитальным движением электрона, величинаg,называемая g-фактором, составляет gорб = 1.Электрон обладает также собственным механическим моментом (спином) и, соответственно,собственным магнитным моментом. В случае чисто спинового магнетизма механический имагнитный моменты электронаps   s ( s  1),  S  2 B s ( s  1) ,где s – спиновое квантовое число электрона, равное 1/2.

В системе единиц e / (2mc) величинаg-фактора свободного электрона gs = 2,0023.Если атом содержит несколько электронов, то их орбитальные и спиновые моментыскладываются. В случае нормальной LS -связи, присущей атомам легких элементов [1], орбитальныемоменты импульса l i различных взаимодействующих электронов складываются в один L   l i инезависимо от них спиновые моменты импульса объединяются в другой результирующий моментS   si .

Моменты L и S , испытывая спин-орбитальное магнитное взаимодействие, образуютполный момент импульса атома. Величина J может принимать значения J  L  S ... L  S . Приэтом g-фактор можно вычислить по формуле Ланде [7]:g 1J ( J  1)  S ( S  1)  L( L  1).2 J ( J  1)При отсутствии суммарного спинового момента (S = 0) получается g = 1; при равенстве нулюсуммарного орбитального момента (L = 0) величина g = 2.

Возможны сочетания S , L, J при которыхg  2 , однако в подавляющем большинстве случаев 1  g  2 .Различным значениям квантовых чисел L, S и J, как правило, соответствуют разныеэнергетические уровни атома. Электронные состояния атомов характеризуются также магнитнымиквантовыми числами mL , mS и mJ , которые определяют проекции орбитального, спинового исуммарного моментов в заданном направлении. Квантовые числа mL , mS , mJ могут приниматьследующиенаборызначений:mL  L, L  1 ...  L ;mS  S , S  1 ...  S ;mJ  J , J  1 ...

 J .В сферически-симметричном атоме отсутствует какое-либо физически выделенное направление осейкоординат. Поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля энергетические уровни атома,характеризуемые разными значениями магнитных квантовых чисел, совпадают. Принято говорить,что такие энергетические уровни вырождены по магнитному квантовому числу.170© www.phys.nsu.ruЕсли атом оказывается во внешнем магнитном поле H 0 , то в направлении вектора H 0 можноопределить проекции орбитального, спинового и суммарного моментов электронов.

В этом случаевырождение по магнитному квантовому числу снимается – разным значениям mJ отвечают разныеуровни энергии. Экспериментально это проявляется в том, что уровни энергии парамагнитныхатомов в магнитном поле расщепляются (рис. 1). Расщепление энергетических уровней в магнитномполе было обнаружено в 1896 г. голландским физиком П. Зееманом. Эффект Зеемана лежит в основеявления ЭПР.Квантовомеханическая интерпретация ЭПРДля выяснения физической картины явления ЭПР рассмотрим, каким образом постоянноемагнитное поле H0 и переменное магнитное поле H1(t) влияют на энергетические уровниизолированного парамагнитного атома (или иона).

В большинстве химических и биологическихсистем, исследуемых методом ЭПР, орбитальные магнитные моменты L парамагнитных центров,как правило, либо равны нулю, либо практически не дают вклада в регистрируемые сигналы ЭПР.Это связано с тем, что у большинства атомов и молекул в нормальном состоянии основной термсоответствует L  0 . Поэтому для простоты будем считать, что парамагнитные свойства образцаопределяются суммарным спином атома S.EN2E0N1g B HhР(H)dPdHHРис. 1. Приg B Hпроисходит резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля.hПоказано изменение мощности ВЧ излучения, поглощаемого парамагнитным образцом, и производная сигналаПри отсутствии внешнего магнитного поля энергия свободного атома не зависит от ориентацииспина. При включении внешнего магнитного поля H0 происходит расщепление уровня энергии на2S  1 подуровней, соответствующих различным проекциям суммарного спина S в направлениивектора H0:E ( mS )  mS  g  H 0   B .

B простейшем случае парамагнитного центра с однимнеспаренным электроном спин S  1/ 2 . Этому значению спина соответствуют два зеемановскихуровня энергии с mS  1/ 2 и 1/ 2 , разделенные интервалом E  gH 0  B (см. рис. 1).171© www.phys.nsu.ruЕсли энергия квантов электромагнитного излучения с частотой  , действующего на системуспинов во внешнем магнитном поле, равна разности энергий между соседними уровнями, т. е.h  gH 0  B , то такое излучение будет вызывать переходы между энергетическими уровнями,вызывающие изменение ориентации спинов. Согласно квантовомеханическим правилам отбора,разрешены лишь такие переходы, при которых mS   1 . Из квантовой механики известно также,mS   1 , соответствуют излучению (поглощению)что переходы, подчиняющиеся правилуэлектромагнитной волны, поляризованной по кругу.

При этом плоскость, в которой вращается вектормагнитного поля в этой волне, перпендикулярна направлению постоянного поля H 0 . С этим, вчастности, связана поляризация компонент спектральной линии в простом эффекте Зеемана.Таким образом, для того, чтобы наблюдать индуцированные переходы между уровнями,необходимо воздействовать на парамагнитный атом или ион, помещенный в магнитное поле,циркулярно-поляризованной электромагнитной волной, магнитное поле в которой перпендикулярнопостоянному полю H 0 .Тогда с одинаковой вероятностью можно индуцировать переход как с нижнего уровня наверхний, сопровождаемый поглощением кванта электромагнитного излучения, так и с верхнегоуровня на нижний, приводящий к излучению кванта с энергией h  gH0B .

Волна может бытьтакже линейно-поляризованной, что технически существенно проще, так как такая волнапредставляет собой суперпозицию лево и право циркулярно-поляризованных фотонов.В состоянии термодинамического равновесия населенности нижнего (N1) и верхнего (N2)уровней определяются распределением Больцмана:N2 h  exp    ,N1 kT где N2 и N1 – количество атомов, имеющих значения магнитного квантового числа mS  1/ 2 и 1/ 2 ;k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура. Поскольку нижние энергетические уровнинаселены больше верхних уровней, то электромагнитное излучение будет чаще индуцироватьпереходы снизу вверх (поглощение энергии), чем переходы сверху вниз (излучение энергии).Поэтому в целом будет наблюдаться поглощение энергии электромагнитного поля парамагнитнымобразцом.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лабораторной работы