Радиоспектроскопия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиоспектроскопия

Радиоспектроскопия - раздел физики, в к-ром изучаются спектры поглощения разл. веществ в диапазоне радиоволн (на частотах эл--магн. поля от 10³ до 6·10¹¹ Гц). В более широком смысле к радиоспектроскопии относят также исследования резонансной дисперсии, релаксации, нелинейных явлений, индуциров. испускания и др. явлений резонансного взаимодействия эл--магн. и аку-стич. полей указанного диапазона с квантовыми системами.

Резонансное поглощение в диапазоне радиоволн обусловлено индуциров. переходами между уровнями энергии

атомов, молекул, атомных ядер и пр., удовлетворяющими условию

где v - частота радиоволны. Такие интервалы энергии возникают, напр., при взаимодействии магн. моментов электронов и ядер с внеш. магн. полем [см. Зе-емана эффект, Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)]; элект-рич. квадрупольных моментов ядер с градиентом внут-рикристаллич. поля [см. Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР)]; при взаимодействии магн. моментов электронов и ядер (сверхтонкое расщепление уровней энергии); во вращательных спектрах молекул в газах (см. Микроволновая спектроскопия); при туннелирова-нпи атомов, ионов и молекулярных фрагментов в кристаллах и стёклах; при коллективном взаимодействии электронов в магнитоупорядоченных веществах (см. Ферромагнитный резонанс, Антиферромагнитный ре-зонанс); при движении электронов проводимости в магн. поле (см. Циклотронный резонанс)и пр. Интервалы

между уровнями энергии, изучаемые в радиоспектроскопии, обычно соответствуют диапазону СВЧ (10⁹-3·10¹¹ Гц), а в случае ЯМР и ЯКР - диапазону ВЧ (10³-3·10⁸ Гц). Столь малые интервалы, как правило, не удаётся разрешить в оптич. и ИК-спектрах, их можно зарегистрировать только методами радиоспектроскопии.

По сравнению с оптич. спектроскопией н инфракрасной спектроскопией радиоспектроскопия имеет ряд особенностей. В радиоспектроскопии практически отсутствует аппаратурное уширение спектральных линий, поскольку в качестве источника радиоволн используют когерентные генераторы, а частоту v можно измерить с высокой точностью. Отсутствует и типичное для оптич. диапазона радиационное уширение, т. к. вероятность спонтанного испускания, пропорциональная v³, в диапазоне радиоволны пренебрежимо мала. Из-за малой энергии hv на единицу мощности приходится большое число квантов, что практически устраняет квантовомеханич. неопределённость фазы радиочастотного поля, к-рое можно описывать классически. Всё это позволяет получать информацию о веществе из точных измерений формы резонансных линий, к-рая определяется в радиоспектроскопии взаимодействием микрочастиц друг с другом, с тепловыми колебаниями матрицы и др. полями, а также их движением (в частности, Доплера эффектом в газах). Ширина линий в радиоспектроскопии меняется в очень широких пределах: от ~1 Гц для ЯМР в жидкостях до ~10¹⁰ Гц для ЭПР в концентриров. парамагнетиках, ферромагн. резонанса, параэлектрического резонанса ионов в твёрдых телах.

С др. стороны, из-за малой величины

уменьшается чувствительность методов радиоспектроскопии. Интенсивность регистрируемых спектров определяется преобладанием поглощения эл--магн. энергии над её индуциров. испусканием, т. е. разностью населённостей N_j - N_i уровней энергии, между к-рыми происходят переходы. В условиях теплового равновесия при температуре Т эти населённости подчиняются Больцмана распределению, откуда для невырожденных уровней

В оптич. спектроскопии, как правило,

(заселён практически только ниж. уровень); в радиоспектроскопии, напротив, вплоть до Т ~ 1 К выполняется неравенство

поэтому величина DN мала и обратно пропорциональна температуре.

Для получения спектров исследуемое вещество помещают в объёмный резонатор, волновод или ВЧ-кон-тур и в зависимости от типа резонансных переходов (магн. или электрич.) подвергают действию соответствующей компоненты эл--магн. поля. Магн. дипольные переходы характерны для всех видов магнитного резонанса (ЭПР, ЯМР, ЯКР и т. д.), электрич. переходы - для микроволновых спектров газов, параэлект-рич. резонанса и др. Эксперим. методы регистрации спектров в радиоспектроскопии можно разделить на стационарные, импульсные и косвенные.

В стационарных методах образец непрерывно облучают достаточно слабым (не вызывающим когерентных эффектов) эл--магн. полем, частоту к-рого медленно изменяют. При выполнении условия (1) часть энергии поля поглощается веществом, что регистрируют по соответствующему уменьшению амплитуды эл--магн. колебаний. Зависимость коэф. поглощения от частоты v и представляет собой стационарный спектр поглощения. Вместо изменения частоты в радиоспектроскопии часто применяют эквивалентное изменение внеш. магн. или элект-рич. поля, влияющего на условие резонанса (1).

Мощность P эл--магн. поля, поглощаемая веществом на частоте v, равна

где DN определяется ф-лой (2), g(v) - плотность состояний на частоте перехода, определяющая форму и ширину линии поглощения, а величина W_ij пропорциональна недиагональному матричному элементу оператора магн. (электрич.) дипольного момента частицы и амплитуде соответствующей компоненты радиочастотного поля.

Стационарное поглощение веществом мощности P предполагает дальнейшую передачу энергии термостату, роль к-рого обычно выполняют степени свободы, связанные с тепловым движением (колебания кристал-лич. решётки, хаотич. движение молекул жидкости, кинетич. энергия электронов проводимости и пр.). Указанный процесс называют продольной релаксацией и характеризуют постоянной времени т₁. При росте мощности эл--магн. поля до значений, обеспечивающих условие

продольная релаксация уже не успевает отводить в термостат поступающую энергию, происходит насыщение резонансного поглощения (DN : 0). Насыщение используют в радиоспектроскопии для измерения т₁ и получения информации о движении частиц, спин-фононных взаимодействиях и пр.

Импульсные методы получили распространение в ЯМР, ЯКР и отчасти в ЭПР. При этом вещество подвергается действию короткого мощного радиочастотного импульса, переводящего систему частиц в когерентное нестационарное квантовое состояние, являющееся суперпозицией состояний

иВозникающее при этом движение ансамбля

частиц

(в случае магн. резонанса - когерентная прецессия спинов вокруг постоянного магн. поля) генерирует в датчике сигнал свободной индукции F(t). Взаимодействие частиц друг с другом и с разл. полями приводит к потере когерентности и затуханию F(t)с характерным временем поперечной релак-сации т₂. функция F(t)содержит полную информацию о спектре поглощения и связана с ним преобразованием Фурье. Применение двух и более последоват. импульсов позволяет частично компенсировать потерю когерентности (см. Спиновое эхо ),что повышает чувствительность и разрешающую способность метода.

В косвенных методах резонансное поглощение радиочастотного поля регистрируют по изменению (обычно небольшому) нек-рых макроскопич. характеристик вещества. Ими могут быть, напр., интенсивность и поляризация оптич. люминесценции (оптич. детектирование), анизотропия g- и b-радиоакт. излучения, траектории молекулярных и атомных пучков в неоднородном внеш. поле (см. также Раби метод), темп-pa образца, его способность к нек-рым хим. реакциям и пр. К косвенным методам можно отнести также двойные резонансы, в к-рых поглощение квантов одной частоты регистрируют по отклику на другой частоте. Для расширения возможностей радиоспектроскопии используют многоквантовые и параметрич. эффекты, акустич. методы (см., напр., Акустический парамагнитный резонанс ).В ВЧ-области диапазона радиоволн (частота выше 10¹¹ Гц) радиоспектроскопии по своим методам и объектам исследования приближается к ИК-спектроскопии (см. Субмиллиметровая спектроскопия).

Радиоспектроскопию применяют в физике, химии, биологии, технике для получения детальной информации о внутр. структуре и атомно-молекулярной динамике твёрдых тел, жидкостей и газов, определения структуры и конформации молекул, измерения магн. и электрич. моментов микрочастиц, изучения их взаимодействий друг с другом и с разл. внеш. и внутр. полями. Методы радиоспектроскопии используют также для качеств. и количеств. хим. анализа, контроля хим. и биохим. реакций, определения структуры примесей и дефектов, измерения магн. полей, температуры, давления, для неразрушающего контроля материалов и изделий. В радиоспектроскопии было впервые получено индуциров. испускание, что привело к созданию квантовых генераторов и усилителей СВЧ-диапазона - квантовых стандартов частоты и чувствительных приёмников, а затем и лазеров (см. также Квантовая электроника). Один из видов двойного резонанса - динамич. поляризацию ядер (см. Ориентированные ядра, Оверхаузера эффект)- применяют при создании поляризованных ядерных мишеней. Радиоспектроскопию используют также в медицине для получения диа-гностич. изображений внутр. органов (см. Томография).

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

Радиоспектроскопия

Литература по радиоспектроскопии