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原子核磁现象

点击次数:更新时间:2012-11-24 11:11:47【打印】【关闭】

    原子核磁现象             微观世界虽然是我们的肉眼看不见的,但却可以应

 

 

原子核磁现象

 

 
 
 

 

  微观世界虽然是我们的肉眼看不见的,但却可以应用多种科学方法和高新技术了解其存在、认识其特性,有的还得到重要的应用。

  这里介绍若干重要的原子核现象及其应用。首先介绍原子核磁共振及其一些重要的应用。

核磁共振与物质结构研究

 

 
 
 

  磁共振是物质中的磁矩系统在互相垂直的恒定磁场(又称直流磁场)和高频或微波磁场的同时作用下,当恒定磁场的强度和高频或微磁场的频率满足一定的条件时,这一磁矩系统对高频或微波产生的强烈的电磁能量吸收现象,原子核磁矩系统产生的磁共振称为核磁共振,电子磁矩系统产生的磁共振称为电子自旋磁共振。根据这一电子系统产生的磁性,如顺磁性、铁磁性等,又分为顺磁共振、铁磁共振等。又一类磁共振是物质中的游动电子的电荷系统在互相垂直的恒定磁场和高频或微波电场的共同作用下,当恒定磁场的强度和高频或微波电场的频率满

图1 核磁共振谱仪

足一定的条件时,这一游动电子的电荷系统对高频和微波产生强烈的电磁能量吸收现象,称为回旋共振。因为这一现象同物质的抗磁性相关,故也称抗磁共振。运动的电荷还可能是物质中的离子所产生,称为离子回旋共振。

  在这些磁共振中,目前应用最多的是核磁共振。这是因为在92种天然化学元素中,有80多种化学元素的原子核具有磁矩(简称核磁矩),可以在一定条件下产生核磁共振,因此可以利用核磁共振方法来研究许多物质的核磁共振。又因为核磁共振的分辨率很高,又可以利用一些新技术(如电子计算机技术等)来提高灵敏度,故在物理学、化学、生物学、地质学、医学和工农业分析等中得到重要的应用。图1示出一台测量核

图2 酒精的氢原子核
的核磁共振谱

磁共振的核磁共振谱仪设备,图2示出利用核磁共振谱仪测得的乙醇(酒精)(C2H5OH)的氢(原子)核的核磁共振谱。从这核磁共振谱可以看出,共振谱中的3条谱线的强度比为3:2:1,这正好反映乙醇中3种原子团CH3,CH2和OH中的氢原子含量的浓度比例。核磁共振研究的化学元素多、分辩率高和灵敏度高的这些特点可以得到所研究物质的很多结构和特性等方面的信息。这在研究复杂的生物大分子甚至生物活体时更有其优点,是其他科学方法难以得到的。例如核糖核酸(RNA)、脱氧核糖核酸(DNA)和多种蛋白质的核磁共振研究便解决了许多结构上和其他方面的问题。

 

 

 

穆斯堡尔效应与磁结构研究

 

 
 
 

  前面介绍各种磁性材料时,曾讲到其强磁性的来源是由于构成磁性材料的原子磁矩有一定规律的排列,称为磁有序。而且在磁性材料中从实验上和从理论上都表明和论证了有多种多样的磁有序,称为磁结构。但是怎样确定磁性材料中原子磁矩的微观结构呢?这里需要说明,原子磁矩实际上是原子中许多电子的总和磁矩,而没有考虑原子中的原子核磁矩。这是因为一般说来如电子和原子核等微观粒子,其质量越大,其表征磁性强弱的磁矩就越小。原子核的质量比电子质量约高2千倍或更高,所以原子核的磁矩就只有电子磁矩的大约2千分之一或更低。故一般讲到原子磁性时便忽略原子核的磁性,而只讲电子的磁性,因而把原子中的电子的总和磁矩称为原子磁矩。什么是穆斯堡尔效应?穆斯堡尔效应是指具有穆斯堡尔效应的原子核(称为穆斯堡尔核)中的低能级(称为基态能级)与较高能级(称为激发态能级)之间的跃迁变化。这些能级中包含有与穆斯堡尔核的磁性有关的能级(称为磁能级)及磁能级之间的跃迁。一般对磁性物质(材料)穆斯堡尔效应的研究主要便是对穆斯堡尔(原子)核的磁能级之间的跃迁。从原子核的磁能级之间的跃迁看,核磁共振同穆斯堡尔效应是相似的。但是核磁共振是在原子核的基态磁能级之间跃迁。基态磁能级之间能量相差较小,故同能量成正比的核磁共振频率较低,一般在射电频率(高频)和微波的范围。但是穆斯堡尔效应却是在穆斯堡尔(原子)核的基态磁能级与激发态磁能级之间的共振跃迁,因为基态磁能级与激发态磁能级之间的能量相差很大,故同能量成正比的穆斯堡尔效应频率便很高,

图3 石榴石型钇铁氧体
的穆斯堡尔谱(a-8面体
晶位 d-4面体晶位)

一般在γ射线的范围,故也称(原子)核γ共振。在利用穆斯堡尔效应研究磁性物质(材料)时,便可从磁性物质(材料)的穆斯堡尔谱来分析其磁结构。图3是石榴石型钇铁氧体(Y3Fe5O12,简写为YIG)中57Fe穆斯堡尔(原子)核在室温下的穆斯堡尔谱。一般磁有序物质穆斯堡尔谱为6条吸收线谱线,谱线的强度和距离同磁有序的情况有关。图中谱线的分裂显示磁有序物质中出现不同磁有序的磁亚点阵,结合其他方面的研究,可知这一铁氧体中的Fe离子以2:3的比例分布于8面体(a)和4面体(b)的磁亚点阵中。从这个例子可以看出,从原子核的穆斯堡尔效应的研究中可以得到磁有序物质(材料)的许多磁性和磁结构的重要信息。但是,还需要指出的是,目前已经观测到具有原子核穆斯堡尔效应的化学元素只有40多种,约为可进行核磁共振研究的化学元素的一半,而且只有Fe原子核的穆斯堡尔效应可以在室温下观测,其他大多数则需要在低温下观测。另外,从原子核的穆斯堡尔效应不仅可以得到磁性材料的磁结构等信息,而且还可以从其他穆斯堡尔参数如核电四极矩、核同质异能移位等得到磁性物质(材料)和其他许多物质(材料)的结构和性能等信息。这里只着重介绍了穆斯堡尔效应在磁学和磁性材料方面的特点和应用。

 

核磁致冷创造最低温度记录

 

 
 
 

  在现代生活中,利用致冷(也称制冷)的冰箱已成为重要的家用电器。但是目前常用的冰箱制冷剂中含有不利于环境保护、破坏高空臭氧层的氟(F)和氯(Cl),因而促进了多种致冷方法技术的研究。磁致冷技术便是其中很受重视的致冷技术,例如,正在研究的利用稀土金属钆(Gd)及其合金在其铁磁-顺磁临界温度区域的磁-热效应的致冷。又例如,已经利用锰(Mn)系和铬(Cr)系硫酸盐等顺磁(性)盐类的顺磁绝热退磁效应在超低温度区域将温度降低到约百分之一(10-2)开(K),是当前超低温度区域较常用的一种致冷技术。什么是磁绝热退磁致冷技术?简单说来就是把在大约1开(K)的起始温度的顺磁盐放在外加强的磁场中磁化,所放出的磁化热传到顺磁盐周围环境中,温度保持不变。然后把顺磁盐同周围环境隔离,处于绝热状态,再去掉或剧减外加磁场,顺磁盐转变为退磁状态,原子磁矩从磁有序转变为磁无序,这就需要吸收能量,但是已处于绝热状态的顺磁盐不能从周围环境吸取能量,便只有从顺磁盐自己的原子运动中吸取能量,这样就使顺磁盐的分子运动减弱而使温度降低。这种磁绝热退磁过程进行多次便可使顺磁盐温度降低到一定的程度。一般说来,利用顺磁盐的绝热退磁方法可以使顺磁盐温度降低到约百分之一(10-2)开(K),即约10毫开(mK),也可称为毫开(mK)范围或毫开(mK)量级。

 

图4 二级绝热
退磁极低温装置
示意图



  利用同样的绝热退磁方法可以使一定物质的原子核磁矩系统的温度降低。例如利用铜(Cu)原子核绝热退磁方法可以铜(Cu)原子核系统温度降低到约百万分之一开(K),即约1微开(μK)或更低。目前利用(Cu)原子核绝热退磁方法达到的最低温度为十亿分之二开(K),即约2纳开(nK),这是目前所知达到的最低温度。我国的访问学者殷实也参加了这一项研究工作。图4中为一个两级原子核绝热退磁装置的主要结构示意图。两级分别利用PrNi5合金中镨(Pr)原子核和(Cu)原子核绝热退磁致冷效应,最低温度达到约100万分之27开(K),即约27微开(μK)。这里需要注意的是,利用原子核磁矩系统的绝热退磁致冷方法所达到的最低温度是指原子核磁矩系统的温度,并不是含这一原子核的物质的温度;根据热力学定律,绝对温度的0开(K)是不可能达到的,但可以接近0开(K)。

核铁磁性和核反铁磁性

 

 
 
 

  我们在前面介绍各种物质的磁性时,曾讲到研究和应用最多的是原子磁矩形成有序排列的铁磁性和反铁磁性等材料。原子磁矩是原子中多个电子的总合磁矩,原子磁矩的有序排列是由相邻原子磁矩(自旋)间的相互作用,主要是具有量子力学特点的自旋间的交换作用产生的。那么原子核磁矩是否也会形成有序排列而产生原子核铁磁性和核反铁磁性等?经过实验观测和理论研究,特别是由于高

 

图5 铜原子核的核反铁磁性

新技术的发展和应用,已经从实验和理论两方面证实了原子核铁磁性(简称核铁磁性)和原子核反铁磁性(简称核反铁磁性)的存在及其特点。但是,从实验中观测到原子核磁矩的有序排列是很不容易的。这一方面是由于原子核磁矩只有原子(电子)磁矩的千分之一或更低,其有序排列要克服热扰动的影响和破坏,就必须在很低的温度下才能实现原子核磁矩的有序排列,另一方面也是由于原子核磁矩很小,要从实验中观测到原子核磁矩的有序排列也是很不容易的。但是经过长期的和利用高新技术的实验研究,还是观测证实了许多物质中的原子核磁矩的有序排列。例如,在金属铜(Cu)、LiH、CaF2、Ca(OH)2、PrNi5、PrCu5、PrCu2和PrCu6等化合物和合金中已经在极低温度下观测到其中的铜(Cu)、锂(Li)、氢(H)、氟(F)、镨(Pr)的原子核磁矩的互相平行排列的核铁磁性,或原子核磁矩互相反平行排列的核反铁磁性。图5中示出是铜(Cu)原子核磁矩互相反平行排列的核反铁磁性,这是由铜原子核

图6 极低温度下氦-3原子
磁矩的反铁磁结构

磁矩之间的磁偶极相互作用产生的。进一步实验和理论研究表明,铜(Cu)原子核磁矩在60纳开(nk,10-9K)到300微开(μK,10-6K)的极低温度范围内已经观测到3种核反铁磁性有序磁结构。另外,化学元素氦(He)有2种不同的同位素氦-4(4He)和氦-3(3He),在自然界中氦-4占绝大多数,其核磁矩和核自旋都为零,氦-3只占约万分之1.3(1.3×10-4),但却具有核磁矩和核自旋。在极低温度范围内和不同的高压下,固态氦-3的原子核磁矩具有不同的有序排列的核磁结构。图6中示出是高压下的固态氦-3在较低磁场和较低温度范围内的较复杂的核反铁磁结构,称为UUDD(上上下下)核反铁磁结构?梢钥闯,在极低温度下出现的核磁矩有序排列的核磁结构也是多种多样的,有的同磁性物质(材料)的原子磁矩有序排列的磁结构相同,也有少数表现出特殊的核磁矩有序排列的核磁结构。

  从上面的介绍可以看出,原子核的磁性虽然远比一般物质的磁性微弱,但是在一定的条件下也可以表现出来,而且有的还有其特点,有的还得到了重要的应用。
 

 

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