Магнітний резонанс

Магнітний резонанс, виборче поглинання речовиною електромагнітних хвиль певної довжини хвилі, обумовлене зміною орієнтації магнітних моментів електронів або атомних ядер. Енергетичні рівні частки, що володіє магнітним моментом m, в зовнішньому магнітному полі Н розщеплюються на магнітні підрівні, кожному з яких відповідає визначена орієнтація магнітного моменту m відносно поля Н (див. Зеемана ефект ) . Електромагнітне поле резонансної частоти w викликає квантові переходи між магнітними підрівнями. Умова резонансу має вигляд:

,

де  — різниця енергій між магнітними підрівнями  — Планка постійна .

  Якщо поглинання електромагнітної енергії здійснюється ядрами, то М. р. називається ядерним магнітним резонансом, ЯМР. Магнітні моменти ядер обумовлені їх спинами I . Число ядерних магнітних підрівнів рівне 2 I + 1, а відстані між сусідніми підрівнями однакові і рівні:

,

де g — магнітомеханічне відношення . Відбору правила допускають переходи лише між сусідніми підрівнями, тому всім переходам відповідає однакова резонансна частота ( мал. ), лінії поглинання перекриваються і спостерігається одна лінія.

  Проте в деяких кристалах для ядер із спіном I > 1 виникає додатковий зсув рівнів, викликаний взаємодією електричного квадрупольного моменту ядра з позаядерним неоднорідним внутрішньокристалічним електричним полем Е в місці розташування ядра (див. Кристалічне поле ) . В результаті цього в спектрі поглинання з'являються додаткові лінії (див. Ядерний квадрупольний резонанс, ЯКР).

  М. р., обумовлений магнітними моментами електронів в парамагнетиках, називається електронним парамагнітним резонансом (ЕПР). Спектр ЕПР залежить як від спина, так і від орбітального руху електронів, що входять до складу парамагнітних атомів і молекул, і зазвичай чутливий до внутрішньокристалічного поля в місці розташування парамагнітної частки. У феромагнетиках і антиферомагнетиках електронний М. р. називається відповідно феромагнітним резонансом і антиферомагнітним резонансом .

  У багатьох випадках корисне класичний опис М. р., заснований на тому, що магнітний момент частки m випробовує в зовнішньому магнітному полі Н Лармора прецессию біля напряму вектора Н з частотою w = g Н. Змінне магнітне поле H ₁ , перпендикулярне Н і що обертається синхронно з m, тобто з частотою w, надає постійну дію на магнітний момент, яка і веде до зміни його орієнтації в просторі.

  До М. р. інколи відносять також спостережуваний в металах і напівпровідниках, поміщених в постійне магнітне поле, циклотронний резонанс — резонансне поглинання електромагнітної енергії, пов'язане з періодичним рухом електронів провідності і дірок в плоскості, перпендикулярній полю Н (див. Лоренца сила, Діамагнетизм ).

  Діапазон частот М. р. визначається велічиной магнітомеханічного відношення. Для вільного електрона g/2p = 2,799´10 ⁶ гц·е ^-1 , для протона g/2p = 4,257´10 ³ гц·е ^-1 , для інших ядер, що володіють спином, g/2p = 10 ² —10 ³ гц·е ^-1 . Відповідно до цього в магнітних полях ~ 10 ³ —10 ⁴ е частоти ЕПР потрапляють в діапазон СВЧ(надвисокі частоти) (10 ⁹ —10 ¹¹ гц ) , а ЯМР — в діапазон коротких хвиль (10 ⁶ —10 ⁷ гц ).

  Літ.: Сліктер Ч., Основи теорії магнітного резонансу, переклад з англійського, М., 1967; Абрагам А., Ядерний магнетизм, переклад з англійського, М., 1963; Альтшулер С. А., Козирев Би. М., Електронний парамагнітний резонанс, М., 1961.

  Ст А. Ацаркин.

Розщеплювання рівнів енергії в зовнішньому магнітному полі H ₀ в разі ядерного магнітного резонансу при I = ³ / ₂ .