Bài giảng Cộng hưởng từ EPR - NMR trình bày về nguyên tắc của phương pháp cộng hưởng từ, nguyên tắc của phương pháp EPR, độ nhạy của EPR, sơ đồ khối hệ đo EPR, trường vi ba trong hốc cộng hưởng, phổ EPR của các nguyên tử H và một số nội dung khác.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng Cộng hưởng từ EPR - NMR
- Nguyên tắc của phương pháp cộng hưởng từ
Hạt nhân nguyên tử có mômen từ riêng
Các nguyên tử có electron chưa có đôi có
mômen từ quỹ đạo và mômen từ riêng
Trong từ trường ngoài các mômen từ tiến
động theo phương của của từ trường ngoài
và có sự thay tách mức năng lượng.
Khoảng cách năng lượng giữa các mức đó tỷ
lệ với từ trường ngoài.
Sự hấp thụ cộng hưởng năng lượng vi ba
/ RF xuất hiện khi năng lượng photon bằng
khoảng cách năng lượng.
- Sự tiến động của mômen từ quanh 2 từ trường
vuông góc với nhau
Bo
B1
Hiện tượng cộng hưởng từ xẩy ra khi có sự tiến động của
mômen từ m quanh 2 hai từ trường Bo và B1 vuông góc với
nhau.
- EPR : electron chưa có đôi
NMR : hạt nhân nguyên tư’
E g N mN Bo NMR
E Bo
E g Bm JBo EPR
- Năng lượng Sóng vô tuyến (MHz)
Từ trường Bo
Năng lượng
Vi ba (1-500 GHz)
Từ trường Bo
- EPR = ESR
E Electron – spin của các electron chưa có đôi và sự tương tác của chúng với
môi trường xung quanh.
S Spin – spin của electron được đặc trưng bởi ms, một trong 4 số lượng tư’ : n, l,
m, ms
ms chỉ có 2 giá trị : + ½ và – ½
P Paramagnetic – Thuật ngữ thuận từ thường được dùng để chỉ các vật liệu bị
từ trường hút. Trái với nghịch từ chỉ vật liệu bị từ trường đẩy.
Hai đóng góp chính cho thuận từ : spin và mômen động lượng quỹ đạo .
Vì thuật ngữ thuận từ tổng quát hơn và không có các gốc tự do chỉ có spin mà
không có mômen động lượng nên dùng thuật ngữ EPR chính xác hơn ESR.
R Resonance – Đây có thể là thuật ngữ quan trọng nhất trong 3 thuật ngữ dùng
trong EPR.
Khái niệm cộng hưởng là trung tâm của sức mạnh của phương pháp cộng
hưởng từ.
Bằng toán học, ta có biểu thức
hn g B B0
- Nguyên tắc của phương pháp EPR
Khi chưa có từ trường ngoài, các trạng thái của nguyên tử có J
xác định ( nguyên tử có mô-men từ MJ ) có cùng năng lượng E0
nào đó. Mức năng lượng E0 khi đó có sự suy biến theo số lượng
tử mJ ( độ suy biến bằng 2J + 1 ).
Trong từ trường B, nguyên tử có mô-men MJ có năng lượng phụ
E = - = - MJB B
trong đó MJB là thành phần chiếu của vec-tơ lên chiều của từ
trường
MJB = - g B mJ
Do đó, E = g B mJ B
mức năng lượng 2S+1LJ tách thành 2J + 1 mức cách đều nhau.
Độ lớn của sự tách này phụ thuộc vào cường độ từ trường B
và vào thừa số Landé , nghĩa là vào các số lượng tử L, S và J của
mức đang xét.
- Nguyên tắc của phương pháp EPR
gmBB
Đường hấp thụ
Sự tách mức năng lượng Zeeman trong từ trường.
Độ tách mức tỷ lệ tuyến tính với cường độ từ trường B.
Sự chuyển dời giữa hai mức năng lượng khi hấp thụ năng lượng
của bức xạ vi ba
hn = g mB B.
- Nếu đặt từ trường thứ hai B1 xoay chiều ( tần số vi ba ) yếu hơn vuông góc với
từ trường chính Bo thì electron có thể bị lật ngược khi tần số vi ba bằng tần số
tiến động Larmor.
Năng lượng
E1
Đường hấp thụ
B1
Bo
Từ trường
Sóng vi ba
B1
- 1S
1 cm-1 = 1,24 . 10-4 eV
1G
3P
1D
Tử ngoại J=4 0,1 meV
~ eV 104 cm-1
mJ
3F Vi ba (1 cm-1) 2
J=3
Hồng ngoại xa 1
0,1 eV (100 cm-1)
0
J=2
-1
-2
ion tự do d2 tương tác spin-quỹ đạo trong B
- Đơn vị năng lượng
E = hn ln = c
E = hc / l
Năng lượng E tỷ lệ với 1 / l ( cm-1 )
1 cm-1 = 2,99793 x 104 MHz = 1,23978 x 10-4 eV
- Tương tác siêu tinh tế (hyperfine)
Tương tác hyperfine là tương tác giữa mômen từ của 1 electron với
mômen từ của hạt nhân.
Mômen từ hạt nhân trong từ trường có (2I+1) định hướng được phép
Từ trường liên quan đến mômen từ hạt nhân có thể cộng thêm hoặc
trừ đi từ trường ngoài tác dụng lên hệ spin electron
Giản đồ năng lượng cho một chất thuận từ với S=1/2 và I=1/2
Phổ EPR tuân theo quy tắc lọc lựa Dms= ±1, DmI= 0,
- Electron
Nucleus
Tương tác siêu tinh tế
S(½)
I (½)
S=½; I=½
MI=+½ Doublet
MS=+½
MI=-½
MS=±½
MI=-½
MS=-½
MI=+½
Từ trường
Quy tắc lọc lựa
DMS = ±1; DMI = 0
- Electron
S (½)
Nucleus
I (1)
Tương tác siêu tinh tế
MS = ±½ MI=0,±1
S=½; I=1
MI=+1 Triplet
MS=+½
MI= 0
MI=-1
MS=±½
MI=-1
MS=-½
MI= 0
Từ trường
Magnetic Field
MI=+1
Quy tắc lọc lựa
DMS = ±1; DMI = 0
- Phổ EPR của các nguyên tử H
Độ tách lớn vì các electron chưa có đôi ở orbital s.
- Thoạt nhìn, có thể nghĩ phổ cộng hưởng của electron không có đôi
khi nào cũng như nhau.
Trên thực tế không phải như vậy vì trạng thái từ của electron bị thay
đổi bởi môi trường xung quanh nó. Chính sự thay đổi này cho phép
nghiên cứu cấu trúc của vật liệu đang nghiên cứu.
Trên đây xét sự tương tác của 1 electron với từ trường ngoài.
Với mẫu vĩ mô, phải xét một tập họp thống kê của các mômen từ
- Electron chưa có đôi trong từ trường
Phân bố
Boltzmann
N E
exp( )
N kT
Bo E+
E-
- Độ nhạy của EPR
Khi một hệ lượng tử bất kỳ tương tác với sóng điện từ, có thể
xẩây ra sự hấp thụ hoặc bức xạ photon. Bức xạ tới hv bị hấp thụ
bởi các electrons trong mức năng lượng thấp làm cho chúng
nhảy lên trạng thái có năng lượng cao hơn đồng thời cũng có bức
xạ cưỡng bức làm cho electron nhảy xuống mức thấp.
N E g B B
exp( ) exp( )
Thực nghiệmNphát
kT thụ thực tế : kT
hiện sự hấp hiệu số photon bị hấp
thụ và được bức xạ.
Vì sự hấp thụ tỷ lệ với số spin ở mức thấp và bức xạ với số spin
ở mức cao, độ hấp thụ ròng tỷ lệ với hiệu
N– – N+
Tỷ số lấp đầy ở 2 mức được xác định bởi phân bố Boltzmann
- Ở nhiệt độ thông thường và với từ trường bình thường , số mũ rất
nhỏ và có thể dùng công thức gần đúng e–x ˜ 1 – x.
Như vậy:
N g B B
1
N kT
Vì N– ˜N+ ˜ N/2, hiệu
g B B Ng B B
N N N 1 1
kT 2kT
Hệ thức này cho thấy độ nhạy của EPR ( độ hấp thụ ròng ) tăng
khi giảm nhiệt độ và tăng cường độ từ trường
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
