Оверхаузера эффект - увеличение интенсивности ядерного магнитного резонанса и поляризации ядерной
магн. системы при насыщении электронного парамагнитного резонанса. О.
э. наблюдается в условиях, когда в электронной парамагн. системе существует
релаксац. процесс, содержащий в каждом акте связанное однонаправленное
изменение ядерных спиновых переменных и определяющий стационарное сосстояние
ядерной магн. системы (см. Ориентированные ядра, Парамагнетизм). О.
э. предсказан А. Оверхаузером (A. W. Overhauser) в 1953 для взаимодействующих
спиновых систем электронов проводимости и ядер в металлах. В том же году
О. э. был экспериментально подтверждён Т. Карвером (Th. R. Carver) и Ч.
Сликтером (Ch. P. Slichter), впоследствии наблюдался в полупроводниках,
жидкостях с парамагн. примесями и твёрдых телах с высокой концентрацией
свободных радикалов или парамагн. примесей. О. э. является одним из методов
динамич. поляризации ядер. Для его объяснения существенны два явления:
зеемановское расщепление магн. уровней (см. Зеемана эффект) ж релаксация - процесс возвращения возбуждённой системы в состояние термодинамич.
равновесия.
Магн. моменты микрочастиц могут иметь
только определ. ориентации в магн. поле, к-рым соответствуют определ. значения
энергии (энергстич. уровни). На рис. изображена структура этих уровней
для электронно-ядерной системы с электронным спином S =1/2
и ядерным спином I = 1/2. Зеемановское расщепление
для электронного спина равно
для ядерногоспина
где Н - напряжённость внеш. магн. поля,
и -
магн. моменты электрона и ядра. Поскольку
имеем
Термодинамически равновесная поляризация электронной и ядерной магн. систем
определяется населённостью электронных уровней Sz =1/2
и ядерных уровней Iz =1/2.
Отношение населённостей соответствует распределению Больцмана:
где Ni - населённость
уровней, соответствующих рис. Возбуждение переходовSz - 1,Jz=
0 отвечает ЭПР, а переходовSz
= 0,Iz
= 1 - ЯМР. Если приложить к образцу достаточно сильное перем. магн.
поле с частотой ЭПР
то электронные переходы можно насытить, т. е. выровнять населённости уровней,
между к-рыми происходят соответствующие переходы (Sz
= 1,Iz
= 0), при этом N1N3
и N2N4. Магн.
ВЧ-поле переводит электроны в верх, состояния, а релаксац. процессы стремятся
восстановить состояние термодинамич. равновесия. Конкуренция этих процессов
определит амплитуду ВЧ-поля, необходимую для насыщения ЭПР. Ответственный
за это релаксац. процесс (со скоростью релаксации)
не приводит к переориентации ядерных спинов.
Структура зеемановских энергетических уровней
электронно-ядерной системы с S = 1/2 и I - 1/2. Штриховые линни соответствуют различным
видам релаксации. Справа в первом столбце - относительные равновесные населённости
уровней, N1/N4, во втором столбце - те же
величины в условиях эффекта Оверхаузера при
Существование флуктуирующего сверхтонкого
взаимодействия, связанного либо с движением носителей электронного спина,
либо с быстрой переориентацией этого спина в обменном поле, приведёт к
появлению др. релаксац. процессов. Контактное фермиевское взаимодействие
приводит к релаксац. процессу типаSz
= -1 приIz
= 1, и наоборот (со скоростью релаксации).
Флуктуирующее дппольное взаимодействие приведёт к процессу типаSz
= - 1,Iz
= -1 (со скоростью релаксации).
В ядерной маги, системе существуют релаксац. процессыSz=
0,Iz=
1 (со скоростью релаксации).
Для О. э. характерно соотношение
Осн. процесс, ведущий к изменению населённостей, отвечает переходам между
уровнями 4 и 1. При этом, происходят однонаправленные перевороты ядерных
спинов, приводящие к след. отношению населённостей: N1/N2
= N3/N4 = exp(+)/kT. Т.
о., поляризация ядер в состоянии термодинамич. равновесия определяется
величиной зеемановского расщепления в ядерной магн. системе, а в условиях
О. э. - зеемановским расщеплением в электронной системе. При высоких темп-pax,
когдаkT, поляризация возрастает в
~ 103 раз. Неполное насыщение ЭПР и конечные значения величини
приводят к ослаблению поляризации ядер при О. э. Приполяризация
ядерной магн. системы будет противоположной.
О. э. наряду с др. эффектами динамич.
поляризации ядер используют для изучения ядерной магн. системы и получения
системы поляризов. ядер.
Литература по эффекту Оверхаузера
Альтшулер С. А., Козырев Б. М., Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп, 2 изд., М., 1972;
А брагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1903;
Джеффрис К., Динамическая ориентация ядер, пер. с англ., М., 1965;
Ацаркин В. А., Динамическая поляризация ядер в твёрдых диэлектриках, М., НМО.
для ядерногоспина
где Н - напряжённость внеш. магн. поля,
и
-
магн. моменты электрона и ядра. Поскольку
имеем
Термодинамически равновесная поляризация электронной и ядерной магн. систем
определяется населённостью электронных уровней Sz =
1/2
и ядерных уровней Iz =
1/2.
Отношение населённостей соответствует распределению Больцмана:
Sz - 1,
Jz=
0 отвечает ЭПР, а переходов
Sz
= 0,
Iz
= 1 - ЯМР. Если приложить к образцу достаточно сильное перем. магн.
поле с частотой ЭПР
то электронные переходы можно насытить, т. е. выровнять населённости уровней,
между к-рыми происходят соответствующие переходы (
Sz
= 1,
Iz
= 0), при этом N1
N3
и N2
N4. Магн.
ВЧ-поле переводит электроны в верх, состояния, а релаксац. процессы стремятся
восстановить состояние термодинамич. равновесия. Конкуренция этих процессов
определит амплитуду ВЧ-поля, необходимую для насыщения ЭПР. Ответственный
за это релаксац. процесс (со скоростью релаксации
)
не приводит к переориентации ядерных спинов.
Sz
= -1 при
Iz
= 1, и наоборот (со скоростью релаксации
).
Флуктуирующее дппольное взаимодействие приведёт к процессу типа
Sz
= - 1,
Iz
= -1 (со скоростью релаксации
).
В ядерной маги, системе существуют релаксац. процессы
Sz=
0,
Iz=
1 (со скоростью релаксации
).
Осн. процесс, ведущий к изменению населённостей, отвечает переходам между
уровнями 4 и 1. При этом, происходят однонаправленные перевороты ядерных
спинов, приводящие к след. отношению населённостей: N1/N2
= N3/N4 = exp(
+
)/kT. Т.
о., поляризация ядер в состоянии термодинамич. равновесия определяется
величиной зеемановского расщепления в ядерной магн. системе, а в условиях
О. э. - зеемановским расщеплением в электронной системе. При высоких темп-pax,
когда
kT, поляризация возрастает в
~ 103 раз. Неполное насыщение ЭПР и конечные значения величин
и
приводят к ослаблению поляризации ядер при О. э. При
поляризация
ядерной магн. системы будет противоположной.
