Ядра атомные спины

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), получивший широкое применение, в частности, для определения строения некоторых видов органических молекул, основан на исиользовании различия магнитных свойств атомных ядер. Так, спин ядра в атомах С, равен нулю, в атомах Н, ои равен половине, а в атомах Ы, — единице . Метод ЯМР дает возможность определять строение молекул некоторых органических соединений, подвижность частиц в кристаллах в разных условиях. Он все шире применяется при изучении кинетики и механизма химических реакций, состоятя веществ в растворах, процессов протонного обмена между молекулами в растворах, для анализа сложных смесей продуктов реакций и для других целей. [c.90]

Измерение ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — метод анализа, основанный на резонансном поглощении электромагнитных волн веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. Ядерный магнитный резонанс использует явление ядерного магнетизма. Атомные ядра многих химических элементов имеют определенный момент количества движения, т. е. вращаются вокруг собственной оси (спин ядра). Спин ядра аналогичен спину электрона. Магнитный момент возникает потому, что каждое ядро имеет электрический заряд. Для наблюдения ЯМР ампулу, содержащую анализируемое вещество, помещают в катушку радиочастотного генератора. Образец может быть жидким, твердым или газообразным. Катушку с ампулой помещают в зазоре магнита перпендикулярно направлению магнитного поля Ни- Генератор создает на катушке слабое переменное магнитное поле Нх- Резонанс наступает при условии ф=фо= У о, где ф — скорость вращающегося поля Нх, фо — скорость прецессии ядер в поле На, 7 — гиромагнитное отношение у = т1Р (т — магнитный момент ядра атома, Р — момент количества движения ядра). При выполнении условия приемник регистрирует небольшое изменение напряжения на рабочем контуре в виде сигнала в форме гауссовой кривой. Кривая характеризуется высотой сигнала и шириной кривой (полосы), [c.452]

Необходимым условием для проявления спектров ЯМР является наличие у элемента магнитного ядра. Все ядра с нечетным массовым числом имеют спин /, кратный /2. Ядра с четным массовым числом либо вообще не имеют спина (четный атомный номер), либо имеют целочисленные значения спина 1, 2, 3 и т. д. Наиболее простые спектры дают ядра со спином /2. поэтому большинство исследований относятся к ядрам Н, Ф, С, Реже исследуют ядра с /> /2 ( 0, N, Ю, N3, 5, С1, К). Спектры последних усложняются благодаря наличию у ядер с /> /2 квадрупольного взаимодействия. У всех элементов имеются изотопы, сб- [c.281]

Рассмотрим систему из двух электронов, например атом Не. Какая волновая функция задает его состояние Для одного электрона в центральном поле ядра состояние задается атомной спин-орбиталью ф, характеризуемой набором четырех квантовых чисел и зависящей от трех пространственных координат и одной спиновой [c.40]

Если атомное ядро имеет спин, не равный нулю, то его магнитный момент, соответствующий этому спину, тоже не равен нулю. Тогда в парамагнитной молекуле меж- [c.104]

Взаимодействие К. м. ядра с электрич. полем кристалла или молекулы приводит к появлению различных по энергии состояний ядра, соответствующих разл. ориентации ядерного спина относительно осей симметрии кристалла или молекулы. Число разрешенных ядерных ориентаций определяется ядерным магн. моментом, связанным со спином ядра, и равно 21 + , где /-спиновое квантовое число ядра (см. Ядро атомное). Низший по энергии уровень отвечает такой ориентации ядра, при к-рой положит, заряд на сплюснутом или вытянутом ядре располагается ближе всего к наиб, плотности отрицат. заряда в электронном окружении этого ядра. Резонансное поглощение энергии [c.361]

Метод ЭПР-спектроскопии был впервые применен для исследования облученного природного кварца Дж. Гриффитсом, Дж. Оуэном и Дж. Бардом в 1954 г. Они идентифицировали центры, получившие впоследствии название А1-центров дымчатой окраски и присутствующие во всех синтетических кристаллах кварца, содержащих структурную примесь алюминия. Наблюдаемый (при 7<]50 К) спектр ЭПР состоит из шести групп по шесть линий в каждой (магнитная кратность (/ а=6). Появление сверхтонкой шестикомпонентной структуры (СТС) обязано взаимодействию неспаренного спина с магнитным моментом ядра алюминия (спин ядра / = 5/2). На основе экспериментальных данных О Брайен в 1955 г. рассмотрела модель такого парамагнитного центра и провела расчет схемы его электронных уровней в рамках приближения молекулярных орбиталей — линейных комбинаций атомных орбит (МО ЛКАО). По этой модели центр представляет собой дырку , локализованную на кислородах дефектного тетраэдра, в котором ион кремния замещен ионом алюминия, а недостающий заряд компенсируется щелочным ионом (Na+Li+) или протоном (Н+), располагающимся в структурном канале вблизи такого тетраэдра. [c.53]

Метод ЯМР основан на взаимодействии магнитной компоненты электромагнитного поля с магнитными моментами атомных ядер. Установлено, что некоторые (но не все ) атомные ядра обладают собственным моментом количества движения (спином). В макромире механической моделью ядра можно считать вращающийся шарик, который имеет положительный заряд, распределенный по объему или по поверхности. Его вращение вызовет круговой электрический ток, и, как следствие,-магнитное поле, направленное вдоль оси вращения. Эта простейшая механическая модель позволяет понять, почему все ядра, имеющие спин, обладают магнитными свойствами, которые количественно характеризуются м нитным моментом ядра. Магнитный момент ядра ц и его спин являются коллинеарными векторами в пространстве длины двух векторов связаны соотношением [c.277]

I и /. В молекулах, содержащих легкие элементы, Ац имеет величину порядка 102 цикл сек и энергия взаимодействия значительно меньше, чем энергия дипольного взаимодействия. Обменное взаимодействие проявляется в этом случае в спектрах ядерного магнитного резонанса жидкостей и газов, где диполь-ное взаимодействие усредняется до нуля за счет беспорядочного молекулярного движения. Константа A j возникает вследствие магнитного взаимодействия спина ядра со спином электрона и, таким образом, пропорциональна произведению атомных сверхтонких расщеплений у рассматриваемых атомов. Эти расщепления в свободном атоме зависят от квадрата атомной (з-со-стояние) волновой функции неспаренного электрона у ядра. 5-Электронная плотность валентных электронов у ядра возрастает с увеличением атомного номера, и для таллия она в 20 раз больше, чем для водорода, так что для металлического таллия Ац оказывается примерно в 400 раз больше, чем для молекулы водорода Ац = 43 цикл сек). [c.33]

Можно показать в общем виде, исходя из квантово-механического рассмотрения симметрии, что ядра со спином / > /г, как правило, не обладают точно сферическим распределением заряда [89]. У всех ядер спиновая ось является осью симметрии и распределение заряда представляет эллипсоид вращения, который может быть вытянутым или сплюснутым. Это отклонение от сферической симметрии, которое характерно для ядер с / > >/2, количественно выражается электрическим квадрупольным моментом ядер. Квадрупольный момент является тензором, но его можно охарактеризовать единичной скалярной величиной Q, называемой электрическим квадрупольным моментом. Важность ядерного квадрупольного момента в явлении магнитного резо нанса связана с тем, что он в заметной степени взаимодействует с неоднородным атомным электрическим полем и это взаимодействие обычно приводит к резким изменениям спектра ЯМР особенно в твердых веществах. [c.35]

Ядра, вращающиеся вокруг своей оси, имеют собственный момент количества движения, который называют также спином ядра. Магнетизм ядра количественно выражается магнитным моментом. Если атомное ядро имеет спин, то оно имеет также магнитный момент. [c.7]

Эллипсоидальное распределение заряда в некоторых ядрах можно описать, представив его в виде суперпозиции монополя и отрицательного или положительного квадруполя. Соответствующие разложения для случаев вытянутого (а) и сплющенного (б) эллипсоидов показаны на рис. 13.10. Квадрупольный момент является мерой эллипсоидальной деформации ядра. Энергия квадруполя, помещенного в асимметричное электрическое поле, зависит от их взаимной ориентации. Наибольшее значение имеет взаимная ориентация ядерного квадруполя и электрического поля, образуемого электроном на атомной р-ор-битали. Два предельных случая при такой ориентации изображены на рис. 13.11. Предположим, что исследуемое ядро имеет спин /А тогда ядро способно ориентироваться по отношению [c.353]

Если атомные ядра обладают спином I > 1/2, то распределение положительного заряда в ядре не является сферическим и ядро имеет квадрупольный момент. Примером служат ядра N1 для которых / = 1. В однородном электрическом поле такое ядро не будет стремиться к определенной ориентации, а в неоднородном поле наблюдается другая картина, так как энергия ядра теперь определяется ориентацией квадруполя по отношению к электрическому полю. Возможные ориентации квантованы и в обш,ем случае будут соответствовать различным энергетическим состояниям. Переходы между этими состояниями дают чистый квадрупольный резонансный спектр в диапазоне радиочастот. Энергия взаимодействия ядерного квадруполя с окружающим полем пропорциональна eQq (где е — заряд протона Q — ядерный квадрупольный момент и q — градиент [c.579]

Если мы внесем атомное ядро со спином / и моментом в магнитное поле Я, то энергия взаимодействия магнитного момента ядра с полем Шт равняется [c.267]

Мы постараемся по возможности пояснить смысл этих постулатов, равно как и введенные понятия математического характера, последовательно применяя их для построения математического аппарата, описывающего поведение атомного ядра со спином /г. [c.25]

Магнитные моменты электронов и ядер взаимодействуют друг с другом по механизму так называемого контактного взаимодействия. Этому виду взаимодействия, идею которого впервые изложил Ферми для объяснения сверхтонкой структуры атомных спектров, отвечает энергия ядерного момента в магнитном поле, создаваемом на ядрах электронным спином. Контактное взаимодействие записывается в форме [c.27]

Если атомное ядро со спином J и магнитным моментом находится в постоянном магнитном поле напряженности Но, то его энергетические уровни расщепляются на 2/+I равноотстоящих спиновых состояний с магнитными квантовыми числами т=1, I,— 1, 1—I, —I. Переходы между соседними энергетическими уровнями зеемановского расщепления (Дт= 1) соот-, ветствуют испусканию или поглощению кванта энергии [c.220]

Итак, к числу характеристик атомных ядер относятся заряд ядра Е, массовое число А, средняя энергия связи нуклона в ядре г, радиус ядра R, спин 5, магнитный момент 1 и квадрупольный момент ядра Q. Все эти характеристики были в той или иной мере использованы для построения различных теорий строения ядер, различных, как принято говорить, ядерных моделей. Сейчас ещ6 не существует такой модели, которая была бы способна объяснить всю совокупность свойств ядер, но различные теории не исключают, а скорее дополняют друг друга. Прежде чем рассмотреть вкратце некоторые из ядерных моделей, остановимся на столь важном свойстве атомных ядер, как радиоактивность. [c.30]

Линию резонанса может давать ядро, имеющее спин, отличный от нуля, в связи с этим, к сожалению, исключаются обычные изотопы и (эмпирическое правило гласит, что / = 0, если и атомный номер, и массовое число четные). Второе требование заключается в следующем естественное содержание изотопа и магнитный момент должны быть достаточно велики, чтобы сигнал можно было обнаружить (относительная чувствительность ядер приблизительно пропорциональна кубу отношения магнитных моментов). Кроме того, лучше, чтобы спин не был >72, поскольку для таких ядер линии очень уширяются в связи с явлением, называемым квадрупольной релаксацией (которая не будет обсуждаться). [c.514]

По мере увеличения заряда атомного ядра погрешности, связанные с пренебрежением одноэлектронным спин-орбитальным взаимодействием, увеличиваются, и приходится учитывать расщепление каждой (п/)-оболочки на две подоболочки, различающиеся новым спин-орбитальным квантовым числом / [c.99]

Разность энергий между различными уровнями и, следовательно, частота перехода зависят как от градиента поля создаваемого валентными электронами, так и от квадрупольного момента ядра. Квадрупольный момент eQ является мерой отклонения распределения электрического заряда ядра от сферически симметричного. Для данного изотопа величина eQ постоянна, и для многих изотопов она может быть получена из различных источников [5, 6]. Величина еЦ может быть измерена в экспериментах с атомными пучками. Размерностью eQ является заряд, умноженный на квадрат расстояния, но чаще квадрупольный момент выражают через О в см . Например, квадрупольный момент Q ядра - С с ядерным спином 1 = 3/2 составляет —0,0810 см отрицательный знак указывает на то, что распределение заряда сжато относительно оси спина (см. рис. 7.1). [c.266]

Как и спин электрона (см. стр, 37), спин другой элементарной частицы или атомного ядра означает собственный механический момент количества движения их (см. Курс физики). [c.90]

Формула (IX.11) правильно отражает некоторые особенности спин-орбитального взаимодействия. Энергия этого взаимодействия растет с увеличением заряда ядра, зависит от величины орбитального момента, а также от формы орбитали (точнее функции распределения электронной плотности), так как для всех орбиталей, кроме круговой, величина 1/г должна быть усреднена по орбитали. Константа спин-орбитальной связи X отражает особенности конкретной атомной системы. Ее величина может быть определена нз оптических спектров. [c.229]

В квантовой механике атомная система описывается волновыми функциями, которые являются решениями хорошо известного уравнения Шредингера. Для дальнейшего рассмотрения введем собственные функции аир протона, соответствующие состояниям т/ = 12 и пг1 = —112. Свойства этих функций мы детально рассмотрим и опишем в гл. V. Пользуясь этими функциями, можно определить энергию спиновой системы в магнитном поле. А сейчас мы будем использовать их просто для обоз-качения энергетических уровней протона. Состояния а и Р для ядра со спином 1/2 имеют одинаковую энергию, т. е. они вырож- дены. Это вырождение снимается только в однородном магнит- ном поле Во за счет взаимодействия ядерного магнитного мо- мента [X с Во- Если направление Во совпадает с осью г, как на V рис. I. 1,6, то возникает разность энергий двух спиновых со-стояний [c.19]

Рис. 4.10. Спин атомного ядра в магнигнОм поле Яо. Энергетические уровни ядра со спином Ц/ = 1/2

В 1946 г. Блоху и Перселу удалось распространить метод парамагнитного резонанса, применив его к атомным ядрам. Как следствие их работ, в последние годы возникла и развилась новая область ядерного физико-химического исследования, которую уместно назвать наукой о ядерном магнетизме. Уже говорилось о том, что все ядра со спинами, не равными нулю, имеют магнитный момент xj, который может быть представлен следующим равенством [c.266]

Число /, называемое спиновым числом или просто спином ядра, в зависимости от типа ядра может быть целым, полуцелым или нулем. Спин элементарных частиц, образующих ядро (протонов и нейтронов), оказался равным Опытные данные позволяют также считать, что спин атомного ядра представляет собой в известном смысле комбинацию спинов элементарных частиц, образующих ядро. Так, если массовое число ядра (т. е. общее число протонов и нейтронов в ядре) нечетно, то спин полуцельш. Если массовое число четно, а нечетен порядковый помер ядра (т. е. число входящих в ядро протонов), то спин целый. Наконец, если четны массовое число и порядковый номер ядра, то спин равен нулю. [c.10]

Молекула Ы . Конфигурация Li2[(als) (a ls) (a 2s) J (терм 41g). Первые четыре электрона находятся на внутренних als-орбиталях, образованных из АО АГ-слоя (Is-орбиталей атомов лития). Их размещение подобно размещению в молекуле Неа (см. рис. 24), когда равное число электронов на als- и a ls-MO приводит к отсутствию связи. Можно считать и здесь, что эти МО не вносят вклад в энергию связи молекулы, и электроны на этих орбиталях сохраняют в молекуле характер атомных АГ-электронов, принадлежа попарно соответствующим ядрам (/С-остов). Этому отвечает запись конфигурации в форме Li2[/ ( r2s) ], из которой видно, что связь обусловлена парой электронов, находящихся на связывающей а25-орбитали. Точный квантовомеханический расчет действительно показывает, что als- и а Ь-орбитали имеют вид, близкий к виду двух атомных орбиталей, каждая из которых сосредоточена в основном вокруг одного из двух ядер (рис. 26), и электроны на этих орбиталях условно считают несвязывающими, как четыре электрона в Неа. Молекула Ыг диамагнитна (спины электронов спарены). [c.78]

В 56 указывалось, что не только электроны, но и атомные ядра обладаюг спином. Это создает небольшой добавочный момент и дальнейшее, с трудом обнаруживаемое расщепление подуровней, ведущее к появлению сверхтонкой структуры спектральных линий. [c.100]

Если имеется взаимодействие между неспаренным электроном и магнитным ядром, то происходит дальнейщее расщепление резонансных линий. Это так называемое сверхтонкое расщепление характеризуется константой сверхтонкого взаимодействия (СТВ). Если атомное ядро имеет спин I, то это взаимодействие приводит к расщеплению резонансной линии на 2/ + 1 компонент равной интенсивности. Так, например, в случае ядер Щ, или имеющих ядерный спин /= 1/2, спектр ЭПР будет расщепляться на две линии равной интенсивности в случае атомного ядра N, имеющего спин ядра / = 1, спектр расщепляется на три линии равной интенсивности и т. д. Расстояние между линиями определяет величину константы СТВ, которая является мерой вероятности пребывания электрона вблизи данного ядра. [c.132]

Метод ЭПР применим только для твердых тел, содержащих парамагнитные ионы или радикалы. Еще менее универсален метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — его можно применять только для веществ, содержащих атомные ядра со спином, отличным от нуля. Тем не менее исследование твердых катализаторов этим методом может дать ценные сведения, которых нельзя получить иными методами. Этим путем можно, например, определять различные виды структурных дефектов в твердом теле, поскольку симметрия кристаллического поля влияет на расщепление энергетических уровней ядерного момента в этом поле. Изучая характер и интенсивность сигналов ЯМР, можно получить ценную информацию о нарушениях симметрии кристаллического поля. Такое исследование было проведено, в частности, для 7-А12О3, которая, как известно, имеет неупорядоченную структуру (статистическое распределение ионов в октаэдрических и тетраэдрических пустотах плотноупако-ванной решетки из ионов кислорода, причем большая часть пустот остается незаполненной или занятой протонами). [c.137]

В результате Гейтлер и Лондон получили уравнения, позволяющие иайти зависимость потенциальной энергии Е системы, состоящей из двух атомов водорода, от расстояния г между ядрами эшх атомов. Г1ри этом оказалось, что результаты расчета зависят от того, одинаковы или нротикопо-ложны по знаку спины взаимодействующих электронов. При совпадающем направлении спинов (рис. 26, кривая а) сближение атомов приводит к непрерывному возрастанию энергии системы. В этом случае для сближения атомов требуется затрата энергии, так что такой процесс оказывается энергетически невыгодным и химическая связь между атомами ие возникает. При противоположно направленных спинах (рис. 26, кривая б) сближение атомов до некоторого расстояния го сопровождается уменьшением энергии системы. При г = система обладает наименьшей потенциальной энергией, т. е. находится в наиболее устойчивом состоянии дальнейшее сближение атомов вновь приводит к возрастанию энергии. Но это и означает, что в случае противоположно направленных спинов атомных электронов образуется молекула На — устойчивая система из двух атомов водорода, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. [c.120]

В 1926 г. Гейзенберг и Шредингер создали механику атомных и молекулярных систем, которая получила широкое применение в атомной и молекулярной физике. Необходимое дополнение в квантовую механику внес Паули, разработавший теорию электронных спинов. Это явилось фундаментом, на котором с учетом известного правила несовместимости (запрет Паули в атоме не может быть двух электронов, обладающих 4 одинаковыми квантовыми числами) было построено учение о химических силах, в принципе позволяющее понять и описать образование химических соединений. Сначала удалось интерп )етировать устойчивость электронных оболочек атомов инертных газов, благодаря чему нашло исчерпывающее объяснение понятие электровалентной связи, лежащее в основе теории Косселя. Затем получила квантово-механическое истолкование и ковалентная связь. Гейтлером и Лондоном было показано, что связь двух атомов в молекуле водорода может быть объяснена чисто электростатическими силами, если для этого использовать квантовую механику. Силы, связывающие два атома и два электрона, возникают благодаря тому, что оба электрона имеют антипараллельные спины и с большой степенью вероятности находятся между двумя атомными ядрами насыщаемость химических связей объясняется принципом Паули. Таким образом, представления Льюиса получили исчерпывающее физическое обоснование. [c.24]