Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Статьи Рисунки Таблицы О сайте English
Возможность разрешения сверхтонкой структуры спектров ЭПР, а во многих случаях и возможность самого наблюдения резонансного поглощения определяется шириной линий ЭПР. Как и для других типов резонансного поглощения, имеющих квантовую природу, естественная ширина линии ЭПР определяется размытостью возбужденного уровня, неопределенностью его энергии, связанной со средним временем нахождения частицы на этом уровне соотношением Гайзенберга.

ПОИСК





Ширина и форма линий ЭПР

из "Стабильные радикалы"

Возможность разрешения сверхтонкой структуры спектров ЭПР, а во многих случаях и возможность самого наблюдения резонансного поглощения определяется шириной линий ЭПР. Как и для других типов резонансного поглощения, имеющих квантовую природу, естественная ширина линии ЭПР определяется размытостью возбужденного уровня, неопределенностью его энергии, связанной со средним временем нахождения частицы на этом уровне соотношением Гайзенберга. [c.22]
В действительности ширина линии ЭПР всегда значительно больше естественной. Это связано, с уменьшением времени релаксации за счет взаимодействия с окружающей средой, а величина времени релаксации является мерой такого взаимодействия и представляет собой весьма ценную информацию о поведении неспарениого электрона. [c.23]
Рассмотрим сначала спин-решеточную релаксацию. Поскольку здесь Та велико, следует рассматривать взаимодействие каждой отдельной независимой частицы с решеткой. Возможны два пути обмена энергией между парамагнитной частицей и совокупностью осцилляторов, представляющих упругие колебания решетки. Первый — прямой, или резонансный, заключается в передаче кванта возбуждения спина тем колебаниям решетки, частота которых совпадает с частотой кванта. Вероятность такого однофононного перехода пропорциональна спектральной плотности колебаний (фононов) решетки с этой резонансной частотой. [c.23]
Другой тип передачи кванта возбуждения — двухфононный, комбинационный,— заключается в исчезновении фонона частоты V J и в появлении нового фонона с частотой Va таким образом, что л 2 — Vl = Е, где Д — энергия кванта возбуждения парамагнитной частицы. Вероятность такого перехода пропорциональна произведению спектральных плотностей фононов с частотами V] и va. Поскольку в процессах комбинационного рассеяния участвуют упругие колебания решетки всех частот, этот тип передачи энергии наиболее эффективен в релаксационном механизме при достаточно высоких температурах, когда число колебаний решетки велико. При низких температурах главную роль играет резонансный обмен. [c.23]
В парамагнитных ионах А сравнительно невелико, поэтому Т] имеет значение порядка 10 сек. В свободных органических радикалах, как уже отмечалось выше, % мало, а А весьма велико и так как А/ 1 -1, 1 очень велико и составляет величину порядка секунд. Вследствие этого в органических радикалах время спин-решеточной релаксации обычно не определяет ширины линии из-за слабости спин-орбитального взаимодействия. [c.24]
Это приводит к тому, что для каждого г-го типа эле1 тронных спинов резонанс будет наблюдаться в своем поле Н = + H (при постоянной частоте). Это приводит к уширению резонансной линии. [c.24]
Рассмотренный механизм уширения — магнитостатический, так как он обязан своим происхождением неусредняющейся компоненте [Хг. Однако если все магнитные частицы тождественны, то будет действовать еще и другой уширяющий механизм — динамический, обусловленный вращающимися компонентами -Ь и Лу. Каждая из частиц будет создавать в месте нахождения другой частицы переменное поле резонансной частоты, под возмущающим влиянием которого возможен обмен ориентациями моментов. Сокращение времени жизни каждой частицы на определенном зеемановском уровне за счет этого эффекта приводит к уширению линии поглощения. [c.24]
В отличие от Тх, Та сильно зависит от концентрации парамагнитных частиц, так как при этом меняется среднее значение г/, а следовательно, и локальные поля Я/. С уменьшением концентрации r растет, а ширина линии уменьшается. Одновременно с разбавлением ослабляется и магнитодинамический эффект. В то же время зависимость от температуры незначительна. Это позволяет по температурной зависимости ширины линии судить о преобладающем влиянии спин-спиновой или спин-решеточной релаксации. [c.25]
Несмотря на то, что ширина линии определяется Та, решетка играет существенную роль в релаксации, так как колебания ее модулируют изменение и, следовательно, индуцируют магнитные спин-спиновые взаимодействия. [c.25]
До сих пор рассматривались электронные спин-спиновые взаимодействия. Однако, как было показано ранее, уширение компонент сверхтонкой структуры вызывается также динольным взаимодействием со спинами магнитных ядер. В жидких системах это уширение снимается быстрым изотропным вращением радикала. Однако если частота вращения недостаточно велика и сравнима с шириной линии, то вклад такого взаимодействия в ширину компонент СТС может быть значительным. Такой механизм приводит к уширению лишь крайних компонент спектра (случай так называемого симметричного уширения). [c.25]
Ломимо анизотропии СТС, уширение могут вызывать также магнитные ядра соседних молекул. Если частота движения этих молекул относительно радикала велика по сравнению с частотой резонанса, то этот эффект усредняется до нуля (так называемое трансляционное сужение). Оцепить вклад такого взаимодействия можно при сравнении ширины линий в растворе или в нежесткой матрице, где осуществляются достаточно свободное трансляционное или вращательное движение, с шириной линий в жестких матрицах, где эти движения сильно заторможены и приводят к ди-поль-дипольному уширению. Анализ температурной зависимости ширины линии в таких случаях позволяет получить очень ценную информацию о характере движений в матрице, их частоте и активационном барьере. Особенно плодотворным оказался этот метод при исследовании внутренних движений в полимерах (см., например, [26, 27]). [c.25]
Интересным следствием этой теории является зависимость ширины компонент от причем ширина закономерно изменяется с изменением от — I до /. Такая зависимость наблюдается экспериментально часто (так называемое асимметричное уширение) и может служить указанием на то, что в таких случаях действительно вероятно образование сольватных комплексов — микрокристаллов вокруг парамагнитной частицы. Однако это условие вовсе не обязательно и не всегда выполняется. [c.26]
Другое, высказанное в работе [29] объяснение несимметричного уширения, — предположение о том, что этот эффект имеет не релаксационный, а структурный характер. Из-за резкой анизотропии броуновского вращения вокруг различных осей возможно лишь частичное снятие анизотропии СТС, что также может привести к зависимости ширины от Iz- Теория этого вопроса до сих пор не разработана. [c.26]
Межорбитальный обмен, рассмотренный нами ранее в связи с от рнцательной спиновой плотностью, также приводит к сужению линий СТС, причем частота такого обмена тем больше, чем меньше разность энергий между молекулярными орбитами, участвующими в обмене (см., например, [30]). Соответственно уменьшается и ширина линии. С этим же связано, по-видимому, сужение компонент СТС по мере возрастания степени сопряженности в органических радикалах. [c.27]
Зависимость ширины линий от симметрии радикала рассмотрена в работах МакКоннелла и Мак Лачлана [31, 32]. Экспериментальные данные показывают, что обычно в системах с высокой степенью симметрии линии СТС значительно шире, чем в системах с низкой симметрией. Как следует из работ [31, 32], снижение симметрии радикала приводит к ослаблению спин-орбитальной связи и к увеличению времени спин-решеточной релаксации, а следовательно, и к сужению линий СТС. Однако такое изменение спин-орбитальной связи не может существенно сказываться на изменении величины -фактора. [c.27]
Как было показано выше, слабые электронные спин-спиновые взаимодействия приводят к уширению линии. Однако при сильных взаимодействиях картина может значительно измениться. Это связано с появлением обменных сил при больших концентрациях парамагнитных частиц, когда расстояния между ними становятся малыми. На таких расстояниях, сравнимых с размерами частиц, появляется прямое перекрывание орбит неспаренных электронов, что приводит к усреднению всех локальных полей и к резкому сужению линии. [c.27]
Количественная теория обменного взаимодействия развита в работах Андерсона [33], Кубо и Томита [34] и Кивельсона [35]. В основе теории лежит модельное представление об обменном взаимодействии как о модуляции частот колебаний осцилляторов, соответствующих величинам расщеплений СТС, частотой обмена. Полученные в этих работах выражения для формы линий зависят от т , времени между двумя обменами. При больших Те можно наблюдать отдельные частоты осциллятора, т. е. компоненты СТС разрешаются при малых т, эти частоты сливаются в одну усредненную и СТС смазывается. Это соответствует качественной картине, приведенной выше. [c.28]
Те можно считать приблизительно равным времени между двумя столкновениями парамагнитных частиц, поскольку обменный интеграл J резко убывает с увеличением расстояния (как гУ ) и для обмена необходимо контактное бJшжeниe частиц. Это открывает возможности исследования подвижностей молекул в различных жидкостях, а также кинетических свойств жидкостей. Более подробно на этом мы остановимся в специальном разделе. [c.28]
Теперь коротко рассмотрим вопрос о форме линии ЭПР. Если ширина линии — мера взаимодействия парамагнитной частицы с ее окружением, то форма линии может характеризовать тип этого взаимодействия, его характер. [c.28]
Для симметричных линий форма определяется типом функциональной зависимости интенсивности поглощения / от частоты V или напряженности постоянного магнитного поля Н. В отсутствие обменных взаимодействий каждый из спинов находится в локальном магнитном поле и при гауссовом распределении этих полей форма линии будет гауссовой, т. е. [c.28]


Вернуться к основной статье


© 2025 chem21.info Реклама на сайте