§ 13. ЯДЕРНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В ГАЗАХ

а. Ядерная релаксация в газообразном водороде

Первые наблюдения протонного резонанса [33] в газообразном водороде под давлением 10 агпм и при комнатной температуре привели к значению сек. Используя это значение, согласно (VIII.152а), находим сек. Расхождение между этой величиной и временем столкновения сек, определенным из кинетической теории газов, при тех же температуре и давлении позволяет предполагать, что релаксация вектора определяется неполностью «сильными» (в смысле § 9) столкновениями.

Изучение протонной релаксации в газообразном в зависимости от плотности и концентрации орто- и параводорода было проведено при низкой температуре (20° К) [34] и привело к следующим результатам. На фиг. 54 изображен график зависимости от плотности для смеси

75% орто- и 25% параводорода. Единицей плотности является «амагат», соответствующий молекул водорода в и равный массе одного при 0° С и 1 атм. В пределах экспериментальной ошибки пропорционально плотности. Это согласуется с (VIII.152), если сделать разумное предположение, что частота столкновений пропорциональна плотности. Однако абсолютное значение примерно в 6 раз больше, чем время столкновения определенное из кинетической теории.

Фиг. 54. Зависимость от платности обычного газа Н2 (75% орто- и 25% параводорода) при 20,4° К.

Фиг. 55. Зависимость от концентрации ортоводорода в различных смесях (орто — пара)-газа при температуре 20,4° К и плотности 14,75 .

Поэтому естественно предположить [34], что лишь анизотропная часть сил, действующих между сталкивающимися молекулами, обусловливает переориентацию вектора последнее приводит к уменьшению поперечного сечения столкновений, вызывающих переориентацию по сравнению с полным поперечным сечением. Такая мысль впоследствии подтвердилась при изучении зависимости от концентрации ортомолекул, результаты которого изображены на фиг. 55. Очевидно, что (орто — орто)-столкновения более сильно влияют на переориентацию молекул, чем (орто — пара)-столкновения. Поэтому такие данные могут служить основой для изучения анизотропных взаимодействий между молекулами, к которым довольно нечувствительны другие газокинетические параметры.

Наконец, было измерено протонное время релаксации в смеси при давлении 0,5 атм (плотность 7 амагат). Оно оказалось равным 2 сек, т. е. значительно большим, чем в Такая большая величина времени релаксации обусловлена отсутствием вращательного момента количества

движения в низшем состоянии молекулы (см. § 9). При 20° К доля молекул в состоянии порядка от общего числа. Если предположить, что релаксация посредством механизма, аналогичного механизму в происходит лишь в случае, когда молекула находится в указанном состоянии, то тогда рассматриваемый механизм может обеспечить время релаксации, согласующееся с экспериментальным значением.

б. Ядерная релаксация в жидком водороде

Вопрос о ядерной релаксации в жидком водороде не рассматривался в параграфе, посвященном жидкостям, в связи с тем, что модель броуновского движения, использованная для жидкостей и основанная на формуле Стокса, оказывается совершенно непригодной для жидкого водорода.

Фиг. 56. Зависимость для протонов от температуры образцов жидкого водорода. Экспериментальные точки соответствуют: ортоводорода; ортоводорода; ортоводорода.

Релаксационные процессы в жидком водороде до некоторой степени аналогичны таким процессам в газе [35]. На фиг. 56 изображены экспериментальные значения для жидкого водорода в зависимости от температуры для различных пропорций орто- и парасостояний. Используя пока формулу (VIII.152а) и значение сек, полученное для жидкого водорода при 20,4° К, найдем сек для концентрации ортоводорода, равной 75% (не указано на фиг. 55).

Приведенная величина прекрасно совпадает со значением сек, полученным из формулы Стокса, если подставить измеренное значение

равное Однако на этом согласие кончается, так как модель малой сферы, движущейся в вязкой среде, не может объяснить зависимости от орто- и параконцентраций. Температурная зависимость, заключающаяся в том, что а следовательно, также в модели Стокса уменьшаются с увеличением температуры, также неверна. Используя (VIII. 152а), мы пренебрегли так называемым трансляционным вкладом в от спинов, принадлежащих разным молекулам, который, как легко видеть, очень мал.

Еще более замечательное доказательство того, что полный орбитальный момент остается хорошим квантовым числом в жидком водороде, служит очень большая величина (35 сек) времени релаксации протонов в Такая большая величина времени релаксации для газа была объяснена тем, что почти все молекулы находятся в низшем энергетическом состоянии где механизм вращательной релаксации не может осуществляться.

Очевидно, что для объяснения этих результатов необходимы значительно более совершенные модели, чем использованные здесь.

в. Релаксация в одноатомных газах

В настоящее время известны результаты изучения ядерного резонанса в инертных газах

Согласно формуле время релаксации, например, для Не при комнатной температуре и давлении 1 апгм, если принять см, сек, должно быть сек.

Добавка к указанному газу парамагнитного газа (например с магнитным моментом примерно в 1000 раз большим) при том же давлении уменьшает время релаксации приблизительно в раз, доводя его до значения порядка 1 сек. Поэтому резонанс впервые наблюдался в смеси и кислорода при парциальных давлениях каждого газа, равных 10 атм [36]. Для обеспечения ядерного релаксационного механизма вовсе не обязательно, чтобы в движении находились и электрон и ядерный спин, ибо для релаксации существенно только их относительное движение. Отсюда ясно, почему время релаксации удалось уменьшить до значения сек, используя ампулу, заполненную тонко размолотой окисью железа и ксеноном при

В чистом ксеноне при давлении наблюдались удивительно малые времена релаксации, порядка сек для который имеет спин и квадрупольный момент, и около 400 сек для , который имеет спин

Оценивая порядок величины градиента электрического поля в создаваемого в месте расположения ядра в течение времени столкновения благодаря поляризации электронных оболочек, получаем следующие теоретические значения для квадрупольного времени релаксации:

Быстрое изменение с давлением объясняется отклонением поведения ксенона при указанных давлениях от поведения идеального газа.

Вопрос о том, можно ли объяснить время релаксации косвенным взаимодействием между ядерными спинами во время столкновения, остается открытым.