Bài thuyết trình Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn: Cộng hưởng thuận từ Ø EPR bao gồm những nội dung chính về giới thiệu, nguyên tắc của phương pháp pháp EPR, tương tác siêu tinh tế, quá trình hồi phục, hiện tượng bão hòa, EPR spectrometer, ứng dụng của EPR.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài thuyết trình Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn: Cộng hưởng thuận từ Ø EPR
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
Sermina
Kỹ thuật phân tích vật liệu rắn
Đề tài:
CBHD: GS.TS Lê Khắc Bình
Nhóm thực hiện:
1. Lê Hoàng Nam
2. Trịnh Thị Huỳnh Như
3. Đào Vân Thúy
- NỘI DUNG
Giới thiệu
Nguyên tắc của phương pháp EPR
Tương tác siêu tinh tế
Các quá trình hồi phục
Hiện tượng bão hòa
EPR spectrometer
Ứng dụng của EPR
- Giới thiệu
Cộng hưởng thuận từ (electron
paramagnetic resonance – EPR) được
khám phá vào năm 1945 bởi nhà khoa học
Zavoisky.
EPR được ứng dụng rộng rãi trong hóa
học, vật lý, sinh học và y học…
Zavoisky
EPR được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc
của chất lỏng, chất rắn và rất hữu ích trong
việc nghiên cứu quá trình động.
- 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, Hiệu ứng Zeeman làm cho các mức năng
lượng làm 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 phụ thuộc 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.
- Nguyên tắc của phương pháp EPR
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
- Nguyên tắc của phương pháp EPR
Phương pháp cộng hưởng thuận từ electron (EPR) - còn
được gọi là cộng hưởng spin electron (ESR) - đo sự hấp thụ
bức xạ vi ba tương ứng với độ tách năng lượng của electron
không có đôi khi đặt nó vào trong từ trường.
(a) Schematic representation of a single electron spin in a steady magnetic
field H0 (b) Corresponding energy-level scheme.
- Nguyên tắc của phương pháp EPR
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.
Vì các hệ số hấp thụ và bức xạ cưỡng bức bằng nhau nên sẽ không có hấp
thụ khi các spin phân bố đều giữa hai mức đó. Tuy nhiên nồng độ n1 của
trạng thái cơ bản lớn hơn n2 nồng độ của trạng thái kích thích nên có sự
hấp thụ tổng cộng bức xạ vi ba.
Tỷ số của các nồng độ có thể được mô tả bởi phân bố Boltzmann
n1 E
exp( )
n2 kT
Vật liệu chứa các mômen từ nguyên tử thỏa mãn phân bố Boltzmann được
gọi là chất thuận từ.
Vì E = hv khi công hưởng, độ nhạy của kỹ thuật EPR tăng khi dùng tần số
cao của bức xạ và hạ thấp nhiệt độ đo.
- Nguyên tắc của phương pháp EPR
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.
Đường cộng hưởng bị mở rộng. Thực tế độ rộng của đường từ
vài milligauss cho các gốc tự do trong dung dịch đến 1000 gauss
cho vài hợp kim loại chuyển tiếp trong trạng thái rắn.
- 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,
- Tương tác siêu tinh tế
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
- Tương tác siêu tinh tế
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
- Các quá trình hồi phục
Có thể thu thêm thông tin khi xét đến thời gian hồi phục.
Có thể đo được 2 thời gian quan trọng sau :
T1 thời gian hồi phục spin-mạng liên quan đến sự trở lại trạng
thái cân bằng nhiệt của các electron ( hay hạt nhân trong PP
NMR ) bị kích thích bởi sự hấp thụ năng lượng điện từ .
T2 là thời gian hồi phục spin-spin liên quan đến sự không
đồng bộ về pha của sự tiến động của các electron bị kích thích (
hoặc hạt nhân trong phương pháp NMR ) quanh chiều của từ
trường.
- Các quá trình hồi phục
T2
Các spin
SPIN khác
Tương tác
T1 trao oổi T1*
MẠNG TINH THỂ
T1 và T2 liên quan đến hai quá trình hồi phục độc lập xẩy ra
đồng thời
T2 T1 Thường T2
- Hiện tượng bão hòa
Ở nhiệt độ phòng số spin ở mức năng lượng thấp và cao gần như
bằng nhau
Tần số Từ trường Tỷ số lấp đầy
E 9.5 GHz 3390 G 0.9985
N
kT
e 1.0 GHz 356.8 G 0.99985
N 250 MHz 89.2 G 0.99996
Vì hai mức spin có độ lấp đầy khá như nhau, phương pháp cộng
hưởng từ gặp khó khăn khi dùng bức xạ mạnh : Trường bức xạ mạnh
sẽ làm cân bằng độ lấp đầy giữa hai mức --> sự hấp thụ ròng giảm :
Hiện tượng “bão hòa”.
- Hiện tượng bão hòa
Thừa số bão hòa 1
S 2
2
1 g B1 T1T2
g = 1,76x107 rad s-1 G-1
Tín hiệu EPR tỷ lệ với số spin chưa có đôi trong mẫu nếu thừa số
bão hòa S ~ 1.
• Khi S ~ 1, tín hiệu EPR tăng tuyến tính với P
• S ~ 1 when g2 B12 T1T2
- Hiện tượng bão hòa
Căn bậc hai của công suất
- Trường cộng hưởng cho tín hiệu g = 2 ở các tần số vi ba khác nhau
Tần số (GHz) Trường cộng hưởng (Te)
1.1 0.0393
3.5 0.1250
9.25 0.3305
24.0 0.8574
35.0 1.2504
90 3.2153
180 6.4305
270 9.6458
- Tuy X-band phổ biến nhất hiện nay, phổ kế EPR hoạt động
trên một vài giai tần số khác cũng có trên thị trường
Band n/GHz l/cm B(electron)/Tesla
S 3.0 10.0 0.107
X 9.5 3.15 0.339
K 23 1.30 0.82
Q 35 0.86 1.25
W 95 0.315 3.3
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
