Спектроскопия физ

Спектроскопия: ЯМР және ЭПР

ТФП 17-001-02

Балтагулов Мирас

Спектроскопия дегеніміз

Спектроскопия дегеніміз – электромагниттік түрлі сәулеленудің спектрлерін зерттейтін физиканың бір саласы. Спектроскопияның тәсілдері атомдардың, молекулалар мен макроскопиялық денелердің энергетикалық құрамын білуге қолданылады. Олар макроскопиялық денелердің температура, тығыздық секілді қасиеттерін анықтауға қолданылады.

Спектроскопияны қажетті денеге байланысты емес кез келген жерде қолдана беруге болады. Спектроскопияның негізгі қолданылатын маңызды салалары – спектрлік талдау және астрофизика.

Тарихы

Спектроскопияның негізгі даму кезеңдері – 19 ғасырдың басында Күн спектріндегі жұтылу сызықтарын ашу мен зерттеу, шығару және жұтылу спектрлеріндегі байланыс орнату (Г.Р. Кирхгоф, 1859) мен оның негізінде спектрлік талдаудың пайда болуымен басталды. Спектроскопия көмегімен ең алғаш астрономиялық нысандардың – Күн, жұлдыз, тұмандықтардың құрамы анықталды.

19 ғасырдың 2-жартысы – 20 ғасырдың бас кезінде спектроскопия эмпириялық ғылым ретінде дами берді, орасан зор тәжірибелік материал жинақталды, спектрлік сызықтар мен жолақтардың орналасу заңдылықтары ашылды.

1913 жылы Н.Бор бұл заңдылықтарды кванттық теория негізінде түсіндірді. Спектроскопия әр түрлі белгілеріне байланысты жеке салаларға бөлінеді. Электрмагниттік толқындардың ұзындық (немесе жиілік) диапазоны бойынша спектроскопия: радиоспектроскопия, субмиллиметрлік, қысқа толқынды, оптикалық, ультракүлгін, рентгендік болып бөлінеді.

ЯМР – Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс – резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

К примеру, изучение структуры молекул

В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с

полуцелым спином 1/2, 3/2, 5/2…. Ядра с чётными массовым и зарядовым числами (чётно-чётные ядра) не обладают

магнитным моментом.

Все ядра несут заряд. В некоторых ядрах этот заряд "вращается" относительно оси ядра, и это вращение ядерного заряда

генерирует магнитный диполь.

Физика ЯМРЯдра обладают угловым моментом , связанным с магнитным моментом соотношением μ

,

где ħ —постоянная Планка, I— спиновое квантовое число,

μ — гиромагнитное отношение.

Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы, и

собственные значения проекции и углового и магнитного

моментов на ось z произвольно выбранной системы координат

определяются соотношением

,

где μ(I) — магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом

ядра

,

то есть ядро может находиться в состояниях.

Так, у протона (или другого ядра с I = 1/2 —

13C, 19F,

31P и т. п.) может находиться только в двух состояниях

,

такое ядро можно представить как магнитный диполь, z-компонента которого может быть ориентирована параллельно либо

антипараллельно положительному направлению оси z произвольной системы координат.

.

Следует отметить, что в отсутствие внешнего магнитного поля все состояния с различными имеют одинаковую энергию,

то есть являются вырожденными. Вырождение снимается во внешнем магнитном поле, при этом расщепление относительно

вырожденного состояния пропорционально величине внешнего магнитного поля и магнитного момента состояния и для ядра

со спиновым квантовым числом I во внешнем магнитном поле появляется система из 2I+1 энергетических уровней

,

то есть ядерный магнитный резонанс имеет ту же природу, что и эффект Зеемана

расщепления электронных уровней в магнитном поле.

В простейшем случае для ядра со спином с I = 1/2 — например, для протона, расщепление

и разность энергии спиновых состояний

Это выражение просто утверждает, что разность энергий ∆E пропорциональна B(0) ,

поскольку остальные величины - константы. Величина B(0) характеризует

напряженность магнитного поля1

Electron paramagnetic resonance

Electron paramagnetic resonance (EPR) or electron spin resonance (ESR) spectroscopy is a method for studying materials with unpaired electrons. The basic concepts of EPR are analogous to those of nuclear magnetic resonance (NMR), but it is electron spins that are excited instead of the spins of atomic nuclei. EPR spectroscopy is particularly useful for studying metal complexes or organic radicals. EPR was first observed in Kazan State University by Soviet physicist Yevgeny Zavoisky in 1944 and was developed independently at the same time by Brebis Bleaney at the University of Oxford.