ГЛАВА I. ОБЩЕЕ ВВЕДЕНИЕ

§ 1. ЯДЕРНЫЙ ПАРАМАГНЕТИЗМ

Предмет настоящей книги составляют магнитные свойства ансамблей, состоящих из большого числа атомных ядер. Их коллективные макроскопические магнитные свойства мы будем называть термином «ядерный магнетизм» по аналогии с термином «электронный магнетизм» для ансамблей электронов. Существенно, что именно коллективный подход отличает как теорию, так и эксперимент в области собственно ядерного магнетизма от других исследований ядерных моментов.

Ядра многих атомов в основном состоянии имеют отличный от нуля спиновый момент количества движения (целый или полуцелый в единицах и коллинеарный с ним дипольный магнитный момент За немногими исключениями, порядок величины этих моментов лежит в пределах магнетонов Бора. Именно благодаря существованию таких моментов возникает ядерный магнетизм. Не пытаясь проводить подробную параллель между ядерным и электронным магнетизмом, можно отметить основное различие между ними. Из трех обычных видов магнетизма, а именно ферромагнетизма (или антиферромагнетизма), диамагнетизма и парамагнетизма, в ядерном магнетизме представляет интерес только последний. Напомним, что ферромагнетизм может возникнуть, когда произведение температуры образца Т на постоянную Больцмана к (т. е. ) становится сравнимым с энергией взаимодействия между спинами. Сильное обменное взаимодействие электростатического происхождения, способствующее возникновению электронного ферромагнетизма, в случае ядерного магнетизма отсутствует. Вследствие малости величины ядерных моментов магнитное взаимодействие между ними таково, что для возникновения ядерного ферромагнетизма (или антиферромагнетизма) необходима температура порядка и даже меньше. Это условие делает ядерный ферромагнетизм предметом исследований, находящихся за пределами экспериментальных возможностей (по крайней мере в настоящее время). Ядерную аналогию электронного диамагнетизма, т. е. магнетизма, обусловленного ларморовской прецессией электронных зарядов во внешнем магнитном поле, нелегко себе представить. Разумно ожидать, что по крайней мере в обычном веществе ядерный диамагнетизм будет совершенно незначительным.

Таким образом, остается ядерный парамагнетизм. В то время как для электронного парамагнетизма вклад от орбитального движения связанных электронов велик, ядерный парамагнетизм орбитального типа в веществе пренебрежимо мал (см. гл. VI). Поэтому в последующем мы будем рассматривать только парамагнетизм, обусловленный наличием ядерных спинов.

Существование спинового парамагнетизма, т. е. возникновение в помещенном в магнитное поле образце, который содержит большое число элементарных спиновых моментов, макроскопической намагниченности объясняется тем, что различным ориентациям спинов относительно

поля (описываемым возможными значениями квантового числа при квантовании по направлению поля) соответствуют различные значения магнитной энергии Ет. Согласно фундаментальному закону статистической физики — закону Больцмана, — населенности энергетических уровней пропорциональны Поэтому полная результирующая намагниченность образца, содержащего спинов, дается выражением

В ядерном магнетизме отношение почти всегда очень малое число, поэтому, ограничиваясь линейным приближением больцмановской экспоненты, получаем

Здесь статическая ядерная восприимчивость. Пропорциональность между представляет собой хорошо известный закон Кюри.

Поскольку статическая ядерная восприимчивость, согласно (1.2), пропорциональна т. е. квадрату величины элементарного ядерного момента, она будет в раз меньше электронной парамагнитной восприимчивости. Вследствие малости ядерный парамагнетизм очень трудно обнаружить обычными магнитостатическими методами. Например, статическая восприимчивость протонов в воды при комнатной температуре имеет величину порядка Хотя статическое измерение ядерной магнитной восприимчивости впервые было произведено еще в 1937 г. [1] на твердом водороде при [чтобы сделать большим множитель в (1.2)], ядерный магнетизм, вероятно, долго оставался бы просто любопытным явлением, если бы не были разработаны значительно более чувствительные методы, использующие принцип резонанса. Значение этих методов в ядерном магнетизме так велико, что само явление часто называлось ядерным магнитным резонансом. Однако следует подчеркнуть, что ядерный магнитный резонанс, который будет описан в настоящей книге, хотя и является едва ли не единственным экспериментальным способом изучения ядерного магнетизма, не исчерпывает всех его сторон. Поэтому настоящей книге дано несколько более общее название. Наконец нужно отметить, что электронный парамагнетизм значительно более доступный изучению обычными статическими методами, чем ядерный парамагнетизм, также сильно выиграл в результате применения резонансных методов. Обширная область электронного магнитного резонанса выходит за рамки настоящей книги, однако благодаря тесной связи между ядерным и электронным парамагнетизмом в последующем будут рассматриваться некоторые стороны последнего.