1626435914-6d29faf22cc9ba3862ba4ac645c31438 (844347), страница 99
Текст из файла (страница 99)
Так как частота перехода между соседними подуровнями зеемановского расщепления совпадает с частотой прецессии магнитного момента вокруг направления постоянного магнитного паля Н, что уже подчеркивалось выше (см. с. 378), то условием магнитного резонанса является совпадение частоты переменного магнитного поля, перпендикулярного постоянному магнитному полю, с частотой прецессии. С чисто классической точки зрения с вращением составляющей магнитного момента р„, перпендикулярной оси прецессии, т.е. направлению Н, связано излучение частоты, В 14.6.
Общая «арактеристика магнитного резонанса 397 равной частоте прецессии. Можно, согласно наглядным представлениям, понять, пользуясь принципом соответствия, и изменение при вынужденном переходе величины проекции магнитного момента на направление Н. Для этого мы рассмотрим действие перпендикулярного магнитного поля Н, на магнитный момент в подвижной координатной системе, прецессирующей вокруг направления Н с )ардовой скоростью ш= — 7Н (рис.!4.13, д).
Как мы видели в гл. 2 7'4)УУр~ (с. 59), изменение ~ — р~ механи- 41 аращ ческого момента в такой системе при отсутствии других воздействий, кроме поля Н, равняется нулю. При наличии перпендикулярного полн Н„создающего дополнительный момент силы (уа, Н,) = (7Ж,Н ), мы получим Рие. 14.13. Действие перпендикулярного магнитного поля иа прецессирующий магнитный момент: а — прецессии вокруг поля Н; б — дополнительная прецессия вокруг поля Н„' — = (уЖр, Н,). (14.67) юш Существует два различных способа наблюдения магнитного резонанса — измерение воздействия излучения на молекулярный пучок и измерение поглощения излучения веществом.
Первый способ состоит в том, что пучок исследуемых частиц (обладающих магнитным моментом), отклоняющийся определенным образом в постоянных магнитных полях (которые для этой цели делаются неоднородными) н попадающий в приемник, регистрирующий частицы, подвергается воздействию радиочастотного излучения. Если под действием магнитного поля излучения происходят переходы а) Например, колебание по осн х, Н, = Носоаяо, можно, добавив равное пулю поле по оси у, разложить следующим образом: /Но Но Х Нио . Но и, -а-ан = и, + а ° 0 = ( — соаяг+ — соаягуа + а( — яяюг — — япон р= Н, Н Но, а Но = — (соаяо+аяляо)+ — (соаяг — гяляо) = — е Ч вЂ” е 2 2 2 2 Первый член представляет магнитное поле, вращающееся от осв х к ооя у е угловой скоростью я, о второй член — магнитное поле, вращающееся от осв у к оси х с угловоя скоростью — я.
Переменное поле Н„частоты и = — мы 2х можем разложить на два магнитных поля Н'„и Н'„' той же частоты, вращающиеся в противоположных направлениях с угловыми скоростями ю и — шп. Поле Н'„, вращающееся с угловой скоростью ьа, будет постоянно относительно подвижной системы, а магнитный момент должен прецессировать вокруг направления Н'„(см. рис. 14.13, б) и, следовательно, будет менять свою ориентацию относительно поля Н, т.е.
будет изменяться р,. Постепенному изменению ориентации магнитного момента в классической теории будет соответствовать скачкообразное изменение этой ориентации и проекции и, в квантовой теории. В частности, при первоначальной ориентации, параллельной Н, магнитный момент будет постепенно менять ее на антипараллельную. Для спинового момента электрона (о = а/а) этому соответствует квантовый переход с подуровня гпз = а/а на подуровень паз = — '7а. Глава 14, Явление Зеемана и магнитный резонанс 398 между подуровнями зеемановского расщепления, что имеет место при наличии резонанса, т.е. при совпадении частоты поля излучения с частотой перехода, то частицы с измененной вследствие перехода проекцией магнитного момента отклоняются уже иначе и не попадают больше в приемник.
Таким образом, измеряется наблюдающееся при резонансных частотах ослабление интенсивности пучка исследуемых частиц. На рис. 14.14 приведена типичная схема прибора для исследования магнитного резонанса в молекулярных пучках 1421. Пучок частиц из источника И проходит Измгр пото Ряс. 14.14. Схема прибора для исследования магнитного резонанса а молекулярных пучках: И вЂ” источник, П вЂ” приемник, Д вЂ” диффузионные насосы через неоднородные постоянные поля магнитов А и В, отклоняющие частицы в противоположные стороны и осуществляющие фокусировку пучка, и попадает в приемник П. Между магнитами А и В магнитом С создается однородное постоянное поле и одновременно создается перпендикулярное ему переменное радиочастотное магнитное поле (поле излучения), вызывающее переходы.
Когда частота переменного поля не совпадает с частотой переходов, в приемник попадает вполне определенный поток частиц, при совпадении частот все частицы, для которых проекция магнитного момента изменилась вследствие переходов между подуровнями зеемановского расщепления, будут иначе отклоняться вторым неоднородным полем В и не попадут в приемник. Существенно, что изменение интенсивности пучка пропорционально общему числу процессов перехода с первоначальных подуровней, равному сумме числа всех процессов поглощения и всех процессов вынужденного испускания. Например, в случае расщепления в ма~нитном поле уровня с г = 1 (см.
рис.14.12) изменение интенсивности пучка будет происходить как за счет переходов — 1 -+ О и Π— 1 (поглощение), так и за счет переходов Π— — 1 и 1 — О (непускание). В данном случае вероятности всех этих переходов будут одинаковы. Относительные вероятности переходов даются формулами табл. 14.1 (с. 375) лля случая У -~ к и гл ж 1 т, которые справедливы и лля переходов между подуровнями одного и того же уровня. Поэтому можно пользоваться в конкретных случаях табл. 14.4. Метод магнитного резонанса в молекулярных пучках является чрезвычайно чувствительным и позволяет достигать очень высокой степени точности, Важным 5 14.7. Исследование магнитного резонанса методом атомных пучков 399 его достоинством является то, что изучается воздействие радиочастотного поля на свободные частицы.
Однако с экспериментальной точки зрения метод весьма труден, так как работа с молекулярными пучками, особенно в магнитных полях, является сложной, в частности требует специальной вакуумной техники. Второй способ наблюдения магнитного резонанса состоит в измерении поглощения радиочастотного излучения веществом, помещенным в постоянное однородное магнитное поле. Радиочастотное магнитное поле вызывает переходы между подуровнями зеемановского расщепления, причем происходят как переходы т — т+ 1, так и переходы т +! — пт, т. е.
имеют место как поглощение, так и вынужденное непускание. Например, в простейшем случае зеемановского расщепления уровня с .У = '/2 (см. рис. 14.12) это будут переходы — '/2 — '/2 и '/2 — — '/2. Наблюдаемое поглощение является разностью поглощения и вынужденного испускания, и коэффициент поглощения, измеряемый на опыте, определяется формулой (5.98), содер7ти жащей множитель а = —, где в данном случае 7ти = Š— Š— разность энергий 7сТ ' гл~ гог подуровней зеемановского расщепления. Магнитный резонанс удается наблюдать благодаря высокой чувствительности современных радиотехнических методов, даже для очень близких подуровней зеемановского расщепления.
Несмотря на отличие экспериментальной методики, в принципе, изучение поглощения в радиочастотной области не отличается от изучения поглощения в оптической области, в то время как метод магнитного резонанса в молекулярных пучках обладает той существенной особенностью, что измеряется не излучение, а изменение состояния частиц, подвергшихся действию излучения. По своей методике изучение магнитного резонанса методом поглощения значительно проще, чем методом молекулярных пучков, и вместе с тем также позволяет достигать высокой разрешающей силы и весьма большой точности измерений.
Этим методом обычно исследуется вещество в твердом и в жидком состоянии, что, с одной стороны, позволяет сделать разнообразные выводы о конденсированном состоянии вещества, но, с другой стороны, требует введения ряда поправок при определении свойств отдельных частиц. Значения магнитных моментов, определенные для частиц, взаимодействующих с окружающими частицами, могут отличаться от значений этих моментов для свободных частиц.
Отметим, что обычно при наблюдении магнитного резонанса изменяют не частоты излучения, вызывающего переходы, а напряженность постоянного магнитного поля, в котором эти переходы наблюдаются (по методу молекулярных пучков или по методу поглощения). Таким образом, чтобы удовлетворить соотношению аи = /зŠ— ЬЕ ~ — — урвН, оставляют и постоянным и изменяют Н. Спектры соответственно получаются не в шкале частот (или длин волн), а в шкале напряженностей магнитного поля. $14.7. Исследование электронного магнитного резонанса методом атомных пучков Измерения магнитного резонанса в атомных пучках, являющихся частным случаем молекулярных пучков'", позволяют с очень большой точностью, порядка одной стотысячной, определять электронные магнитные моменты атомов в основном состоянии. Особенно простой случай представляют атомы с одним внешним л-электроном, для которых основным уровнем является уровень пв Б~/ (атомы 2 2 ю1 10тносительно терминологии см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
