Магнитные моменты ядер

В результате орбитального движения электрически заряженной частицы возникает магнитный дипольный момент ц, или просто магнитный момент, величина и знак которого определяют энергию взаимодействия этой частицы с внешним магнитным полем В:

Так, например, при движении прогона с орбитальным моментом L возникает магнитный момент.

Величина /*_я ⁼ eti/2m_frc называется ядерным магнетоном. Ядерный магнетон служит естественной единицей измерения магнитных моментов ядер. Напомним, что в атомной физике аналогичная величина для электрона, //_Б = eh/2m_te, называется магнетоном Бора.

Магнитный момент существует и для заряженной частицы с / = 0, если ее спин отличен от нуля. Как было теоретически показано П. Дираком (1930 г.), магнитный момент электрона равен g//_B, где g = 2 — гиромагнитный, или gфактор частицы со спином ½. Исходя из этого, можно было бы ожидать, что спиновый магнитный момент протона равен 2//_я. Однако в действительности он оказываегся в 2,793 раза больше, т. е. g_r = 5,586. То, что предсказание теории Дирака, рассматривающей протон как бесструктурную частицу, не согласуется с опытом, заставляет предположить, что на самом деле протон является нс таким уж «простым» образованием. То, что нуклоны имеют внутреннюю структуру, подтверждается и результатом измерений магнитного момента нейтрона: гиромагнитный фактор g" = 3,826 (Л. Альварец, Ф. Блох, 1940 г.). Знак «минус» в данном случае означает, что векторы спина и магнитного момента направлены в противоположные стороны. Наличие у нейтрона ненулевого магнитного момента позволяет заключить, что внутри этой частицы существует некоторое распределение компенсирующих друг друга зарядов, причем, как показывают эксперименты по рассеянию быстрых электронов на нейтронах атомного ядра, отрицательный заряд «размазан» по периферии, а положительный сконцентрирован в центральной области. Зарядовая структура нейтрона объясняется его кварковым строением (см. Лекцию 18).

Магнитный момент ядра со спином J, состоящего из А нуклонов, имеет, таким образом, орбитальную и спиновую составляющие:^[1]

У четно-четных ядер магнитный момент равен нулю: моменты каждой пары нуклонов одного сорта компенсируют друг друга. У всех других ядер, которые называют магнитными, он зависит не только от величины спина, но и от взаимной ориентации спиновой и орбитальной составляющей. Величину ядерного g-фактора g_я лишь в редких случаях удается достаточно точно рассчитать теоретически.

Основным методом измерения? я является метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В отсутствие магнитного поля основное состояние ядра со спином ./ Ф О вырождены (2J +.

1)-кратно. При включении однородного магнитного поля достаточно высокой напряженности эти состояния становятся энергетически неэквивалентными. Так, например, двукратно вырожденный уровень протона (J = ½) расщепляется, образуя энергетический дуплет (рис. 4.3). Согласно (4.4), величина расщепления АЕ пропорциональна напряженности маг;

Рис. 4.3. Расщепление уровней протона в магнитном поле.

нитного поля и зависит от магнитных свойств ядра. Для *Н.

При переходе ядра с нижнего энергетического уровня на верхний энергия АЕ поглощается, а при обратном переходе выделяется. В этих переходах и заключается смысл ЯМР. Возможность его экспериментального наблюдения связано с тем, что заселенность уровней неодинакова: система из множества магнитных ядер подчиняется законам статистической термодинамики, что влечет за собой увеличение заселенности нижнего уровня. В соответствии с принципом Больцмана разность заселенностей уровней равна ~ АЕ/к^Т, где Т — абсолютная температура. При обычных температурах и полях разность заселенностей не превышает 10 ⁵ от общего числа магнитных ядер, т. е. весьма незначительна. Тем не менее, если наряду с однородным магнитным полем приложить к такой системе переменное электрическое поле с частотой tо = АЕ/к, то будет происходить резонансное поглощение энергии этого поля.¹ Эксперимент ЯМР состоит в регистрации поглощения радиотехническими средствами, давая возможность определить по значению резонансной частоты со величину магнитного момента.

Для ядра, окруженного атомными электронами, приложенное магнитное поле экранируется ими: движение электронов индуцирует магнитное поле В', направленное противоположно В. Поэтому для осуществления резонанса на частоте со необходимо приложить несколько большее магнитное поле: В + В'.^[2][3] Такое смещение сигнала называется химическим сдвигом. Химический сдвиг определяется строением электронных оболочек атома. Образование атомом химических связей отражается на его величине. В молекуле взаимодействие магнитных моментов соседних ядер (спин-спиновая связь) ведет к расщеплению линий резонансного поглощения. В результате спектры ЯМР несут богатую информацию о химической связи атома с магнитным ядром. Явление ЯМР представляет, таким образом, ценнейший инструмент для изучения строения молекул и идентификации химических соединений. В органической химии широко используется магнитный резонанс на ядрах 'Н, ^|3С и некоторых других.

Взаимодействие магнитного момента ядра с магнитными моментами электронов приводит также к сверхтонкому расщеплению линий в оптическом спектре атома. Это дает возможность определить величину магнитного момента ядра (по величине расщепления) и спина ядра (по количеству линий расщепления).

• [1] Орбитальное движение нейтрона не создает дополнительного магнитного момента, так как его электрический заряд равен нулю.
• [2] Величина ео лежит в радиочастотной области спектра электромагнитных волн.
• [3] Альтернативный способ — увеличение частоты (о при неизменном магнитном поле В.