Главная > Основы теории магнитного резонанса
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

Глава 10. Электронный спиновый резонанс

§ 1. Введение

До сих пор наше внимание было сосредоточено на ядерном магнитном резонансе, хотя многие основные положения применимы и к электронному спиновому резонансу. Мы рассмотрели также некоторые вопросы, относящиеся к электронам, такие, как замораживание орбитального момента количества движения и магнитное взаимодействие ядерного спина с электронным спином. В этой главе рассматриваются некоторые проблемы, специфичные для электронного спинового резонанса, которые не возникают в случае ядерного резонанса.

Вероятно, основное различие между электронным и ядерным магнитным резонансом состоит в том, что такие ядерные свойства, как спин, магнитный момент и квадрупольный момент, с высокой степенью точности можно считать не зависящими от окружения, в то время как для электронных систем ввиду относительно большого их размера и очень малой энергии возбуждения свойства сильно зависят от окружения. Один и тот же атом в кристалле и в свободном состоянии может иметь совершенно различные значения момента количества движения, магнитного момента и квадрупольного момента. В ядерном резонансе это приводило бы к тому, что величины и приходилось бы заново вычислять для каждого вещества, в котором находится исследуемое ядро.

Поскольку состояние атома в твердом теле или в жидкости сильно отличается от свободного состояния, невозможно предсказать характер или даже существование резонанса на основании данных об электронном моменте количества движения и магнитном моменте атома в свободном состоянии.

Например, атом натрия не обладает орбитальным магнитным моментом и моментом количества движения, но имеет спин 1/2 и соответствующий спиновый магнитный момент. Его магнитные свойства можно изучить методом атомных пучков. В металлическом натрии валентные электроны находятся в зоне

проводимости со спаренными спинами. Однако существует слабая электронная спиновая намагниченность, что позволяет наблюдать спиновый резонанс. В хлористом натрии атом натрия отдает свой внешний электрон, который заполняет р-оболочку хлора. В результате спиновая намагниченность равна нулю и электронного спинового резонанса нет. Даже у атомов с ковалентной связью, например у молекулярного водорода, обычно нет чисто спиновой намагниченности, так как электронные пары образуют спиновый синглет. Конечно, есть такие исключения, как молекула кислорода. Как уже отмечалось в связи с химическим сдвигом, обычно орбитальный момент количества движения электронов заморожен и в первом порядке орбитального вклада в резонанс нет.

Таким образом, для большинства диэлектриков резонанс можно наблюдать лишь после какого-либо воздействия, в результате которого спаренность спинов нарушается. Некоторые атомы, такие, как атомы элементов группы железа или редкоземельных элементов, имеют незаполненные внутренние оболочки. Эти атомы даже в ионизованном состоянии обладают электронным спиновым моментом. Так, например, атом меди имеет конфигурацию Ион обладает конфигурацией и он парамагнитен. В таком ионном соединении, как (сульфат меди), атомы меди парамагнитны, и, следовательно, может наблюдаться резонанс.

Приведем список различных классов веществ и условий, в которых должен наблюдаться резонанс (конечно, в отдельных случаях могут быть исключения из правил):

1. Вещества, содержащие атомы переходных элементов с незаполненными внутренними оболочками, например атомы группы железа или редкоземельных элементов.

2. Обычные металлы, электроны проводимости.

3. Ферромагнетики и ферримагнетики.

4. Дефекты в диэлектриках, которые могут быть электронными ловушками или дырками, например -центр (электрон на месте отсутствующего иона галоида в щелочно-галоидном соединении) пли доноры и акцепторы в полупроводниках.

Рассмотрение всех этих случаев с единой точки зрения приобретает настолько общий характер, что не может описать каких-либо важных деталей явления. Приближение, имеющее смысл в одном случае, совершенно неприменимо в других. Например, если исследуется резонанс на то электронная волновая функция в значительной мере известна, так как она мало отличается от соответствующей функции для свободного иона Следовательно, можно начать обсуждения, рассматривая состояния свободного иона меди. С другой стороны, в случае -центра эквивалента свободному нону нет. Поэтому нельзя определить состояния «свободного иона».

Мы приведем список наиболее важных типов взаимодействия, а затем рассмотрим несколько примеров, соответствующих различным физическим ситуациям, но включающих основные явления.

Электронный гамильтониан состоит из следующих основных частей:

1. Кинетическая энергия электрона.

2. Потенциальная энергия электрона. Часто ее удобно представлять в виде двух частей — потенциальной энергии «свободного иона» и потенциальной энергии, возникающей за счет кристаллического окружения (так называемого кристаллического потенциала). Такое разделение, конечно, не имеет смысла для -центра, поскольку в этом случае отсутствует понятие «свобод-ного иона».

3. Спин-орбитальное взаимодействие. Для электрона, движущегося в электрическом поле Е, возникает взаимодействие между спином и орбитальным движеиием; этому взаимодействию соответствует гамильтониан

Часто электрическое поле в атоме имеет радиальное направление и зависит только от так что

Тогда выражается в виде Это приводит к хорошо известной форме спин-орбитального взаимодействия

Для свободных атомов с рассел-саундерсовской связью спин-орбитальное взаимодействие приводит к расщеплению состояний с данными значениями и классифицируя их в соответствии с полным моментом количества движения

4. Взаимодействие электронного спинового и орбитального магнитных моментов с внешним магнитным полем.

5. Магнитное взаимодействие ядерного спина с электронным спиновым и орбитальным моментами.

6. Взаимодействие ядерного электрического квадрупольного момента с электронным зарядом.

Перейдем теперь к примерам, иллюстрирующим роль некоторых наиболее важных типов взаимодействия. В следующем параграфе рассматриваются кристаллические поля и спин-орбитальное взаимодействие. В § 3 обсуждается взаимодействие с ядерным магнитным моментом.

Categories

1
Оглавление
email@scask.ru