§ 35. Электронный парамагнитный резонанс

В предыдущем параграфе мы выяснили, что в случае, когда атом с магнитным моментом, отличным от нуля, находится в магнитном поле, каждый уровень атома расщепляется на зеемановских подуровней. Согласно (34.2) расстояние между подуровнями равно

Предположим, что на атом, находящийся в постоянном магнитном поле В, падает электромагнитная волна, частота которой о удовлетворяет условию

где — нормальное смещение (см. (34.5)). Можно ожидать, что под действием магнитного поля падающей волны будут происходить переходы атома между соседними подуровнями (правило (34.4) разрешает лишь переходы, при которых изменяется не больше чем на единицу). Такое явление действительно наблюдается. Оно было обнаружено Е. К. Завойским в 1944 г. и получило название электронного парамагнитного резонанса (э. п. р.). Это название объясняется следующими причинами. Явление имеет резонансный характер — переходы возникают при строго определенной частоте падающей волны. Ответственным за расщепление уровней является магнитный момент атома, обусловленный орбитальными и спиновыми моментами электронов (отметим, что, кроме электронного, наблюдается ядерный магнитный резонанс, обусловленный магнитным моментом ядра).

Явление имеет место лишь для парамагнитных веществ (у диамагнетиков магнитные моменты атомов равны нулю).

Из формулы (35.1) следует, что резонансные частоты оказываются порядка нормального смещения (множитель g имеет значение порядка единицы). При

(см. (33.2)). Такой частоте отвечает длина волны порядка нескольких сантиметров. Следовательно, резонансные частоты лежат в радиодиапазоне.

Под действием электромагнитной волны атом с равной вероятностью может перейти как в более высокое, так и в более низкое энергетическое состояние (подробно об этом идет речь в § 42). В первом случае волна будет ослабляться, во втором — усиливаться. Если парамагнетик находится в тепловом равновесии, атомы распределяются по подуровням в соответствии с законом Больцмана (см. формулу (100.8) 1-го тома). Следовательно, число атомов, находящихся в состоянии с меньшей энергией, превышает число атомов, находящихся в состоянии с большей энергией. Поэтому переходы, происходящие с увеличением энергии атомов, будут преобладать над переходами, происходящими с уменьшением энергии. В итоге интенсивность волны будет уменьшаться — парамагнетик поглощает электромагнитное излучение, в результате чего он нагревается.

Из сказанного вытекает, что электронный парамагнитный резонанс представляет собой избирательное поглощение энергии радиочастотного поля в парамагнитных веществах, находящихся в постоянном магнитном поле.

В наших рассуждениях мы неявно предполагали, что атомы парамагнетика не взаимодействуют друг с другом. Практически э. п. р. наблюдается в кристаллических или жидких парамагнетиках (он был наблюден также и в некоторых газах) В конденсированных средах на отдельные атомы, кроме внешнего магнитного поля, действуют также беспорядочно ориентированные внутренние поля. Поэтому резонансные частоты для различных атомов оказываются слегка отличными, вследствие чего линии э. п. р. имеют конечную ширину.

Прибор для исследования э. п. р. называется радиоспектроскопом. Он состоит (рис. 35.1, а) из генератора электромагнитных волн Г, волноводов Вв, объемного резонатора ОР, помещенного между полюсами электромагнита, приемника Пр и регистрирующего устройства РУ.

Приемник настраивается на частоту генератора. В качестве регистрирующего устройства используется осциллограф или самописец. Парамагнитный образец помещается внутри объемного резонатора. В ходе эксперимента плавно изменяется магнитное поле, создаваемое электромагнитом. При значении В, отвечающем условию (35.1), наблюдается интенсивное поглощение волны образцом.

Рис. 35.1,

Кривая поглощения показана на рис. 35.1, б. Она, как отмечалось выше, имеет конечную ширину.

Электронный парамагнитный резонанс используется для исследования структуры кристаллов, магнитных свойств атомных ядер и в ряде других случаев.