8. Радиоспектроскопия.

Радиоспектроскопия представля­ет с обои метод исследования резонансных спектров поглощения различных веществ в диапазоне радиоволн с целью получения ин­формации о внутренней структуре твердых, жидких и газообраз­ных тел, а также качественного и количественного химического анализа, определения структуры примесей и дефектов.

Резонансное поглощение в диапазоне радиоволн связано с инду­цированными переходами между уровнями энергии E_i , E_j атомов, молекул, атомных ядер при выполнении условия для интервала энергии ΔE= E_i – E_j = hv, где h — постоянная Планка, v — час­тота радиоволны.

Существует множество физических процессов, в которых форми­руются такие интервалы энергии:

- при взаимодействии магнитных моментов электронов и ядер с внешним магнитным полем (эффект Зеемана, электронный пара­магнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР);

- при взаимодействии квадрупольных моментов ядер с градиентом внутри кристаллического поля (ядерный квадрупольный резонанс);

- при взаимодействии магнитных моментов электронов и ядер (сверхтонкое расщепление уровней энергии);

- при туннелировании атомов, ионов в кристаллах и стеклах; при коллективном взаимодействии электронов в магнитоупорядоченных веществах (ферромагнитный резонанс);

- при движении электронов проводимости в магнитном поле (цик­лотронный резонанс).

В методе радиоспектроскопии для получения спектров исследуе­мое вещество помещают в объемный резонатор и подвергают воз­действию соответствующей компоненты электромагнитного поля. Известно несколько наиболее распространенных методик исследо­вания вещества.

1. Электронный парамагнитный резонанс.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) — метод радио­скопического исследования парамагнитного вещества, парамагнетизм которого обусловлен спинами электронов, на основе явления резонансного поглощения излучения радиочастотного диапазона (10⁹ Гц - 10¹² Гц).

Источником возникновения магнитного момента служит неспаренный спин или отличный от нуля суммарный спин электронов. В постоянном магнитном поле возникает система магнитных подуров­ней, между которыми возможны переходы с известными интервала­ми энергий. Резонанс наступает при выполнении условия, которое для одного электрона имеет вид hv = gβH, где g — фактор спектро­скопического расщепления, β = 9,27∙10^-21 эрг/Э — магнетон Бора, магнитное постоянное поле Н = 10³ Э - 10⁴ Э.

С помощью методики ЭПР возможно наблюдение сверхтонкого расщепление спектра за счет взаимодействия спина электрона со спином ядра. ЭПР используется для изучения поверхности твердых тел, фазовых переходов, неупорядоченных систем, структурных де­фектов, межслойных образований, процессов рекомбинации.

2. Ядерный магнитный резонанс.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — метод радиоскопического исследования вещества при резонансном поглощении элект­ромагнитной энергии, обусловленном ядерным парамагнетизмом.

ЯМР наблюдается в сильном магнитном поле Н₀ при одновре­менном воздействии на образец слабого перпендикулярного радио­частотного магнитного поля Н₁ Я, (рис. 1,14).

У ядер имеются спины I, которые формируют моменты количе­ства движения J = h∙I, а также магнитные моменты μ = γ_я∙ J = γ_я∙ h∙I, где γ_я — гиромагнитное отношение ядер. При взаимодействии по­стоянного магнитного поля Н₀ с магнитным моментом ядра μ возникает прецессия ядра с резонансной частотой ω₀ = γ_я ∙ Н₀ . При Н₀ = 10⁴ Э для протонов значение частоты составляет около 42 МГц, а для других ядер в пределах 1 МГц - 10 МГц. Резонанс обнару­живается поглощением электромагнитной энергии и возникновени­ем ЭДС в катушке, окружающей образец.

Методы ЯМР используются для изучения структуры и состава химических соединений, при исследовании динамики и механизмов химических реакций. По спектрам ЯМР можно определить вид и расположение атомов, окружающих парамагнитное ядро, электрон­ную структуру и характер внутримолекулярных взаимодействий. Метод ЯМР применяется для изучения процессов адсорбции газов и жидкости поверхностью полупроводников.