13. ЭЛЕКТРОНДЫҚ ПАРАМАГНИТТІК РЕЗОНАНС
13.1. Жұмыстың мақсаты: Еркін электронның g – факторын электрондық парамагниттік резонатор көмегімен анықтау.
13.2. Құрал жабдықтар

Электрондық парамагниттік резонатор(ЭПР), өріс катушкалары, ЭПР-дің қоректендіру блогы,ЭПР-ді басқару элементтер, екі каналды осциллограф, 30МГц, сандық мультиметр, ұзындығы 750мм кабель, адаптер, жалғаушы сымдар (13.1-сурет)

13.1-сурет ЭПР-ді зерттеу үшінэксперименттік қондырғы және оның

бөліктері: а-эксперименттік қондырғы,б-қорекблогы,в-ЭПР-ді басқару элементі,г-электрондық парамагниттік резонатор.
13.3.Қысқаша теория.

М
146
агнит өрісіне орналастырылған атомдарда бұлардың энергетикалық деңгейлері бірнеше деңгейшелерге жіктеледі. Бір деңгейдің төменгі деңгейшелерінен жоғарғы деңгейшелеріне өздігінен ауысулары мүмкін емес. Бірақ та осындай оуысулар сыртқы электромагниттік өрістің ықпалынан іске аса алады. Мұның іске асуының қажетті шарты электромагниттік өріс жиілігінің жіктелген деңгейшелер арасындағы энергия айырымына сәйкес келетін жиілігімен дәл келуі болып табылады.

Осы жағдайда электромагниттік өріс энергиясының жұтылу құбылысын бақылауға болады;осы құбылыс магниттік резонанс деп аталады. Магниттік моментті тасымалдаушы бөлшектің түріне байланысты электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) және ядролық магниттік резонансболып бөлінеді. Электрондық парамагнитті резонанс (ЭПР) деп электромагниттік энергияны парамагниттік бөлшектері бар заттардың резонанстық жұтуын айтады.

Парамагниттік бөлшектерге жататындар:

1. 
   электрон саны тақ атомдар мен молекулалар(мысалы, сутегі,азот атомдары, NO молекуласы);
   
2. 
   жұптаспаған электрондары бар химиялық қосылыстардың еркін радикалдары (мысалы СH₃);
   
3. 
   ішкі қабықтары ішінара толтырылған иондары (мысалы ауыспалы элементтері ионы);
   
4. 
   Кристалдағы боялу центрлері;
   
5. 
   металдар мен жартылай өткізгіштердегі өткізгіштік электрондары.
   

Тұрақтылар В магнит өрісінде парамагниттік бөлшектің (мысалы, спині S және магниттік моменті µ атомның) энергия деңгейі 2S+1 деңгейшеге жіктеледі; бұлар энергия бойынша ∆Е=2µВ(1)шамасына бір бірінен өзгеше болады(Зееман эффектісі, 13.2сурет)

---

13.2-сурет S спиндерінің магнит өрісінде кеңістіктің квантталуы және энергетикалық деңгейлердің жіктелуі; а-еркін электрон,б-бірнеше электроны бар және спині S=1парамагниттік бөлшек, в-спині S=5/2 бөлшек.


147



Еркін электрон S=1/2 қарапайым жағдайында (13.2а-сурет), магниттік момент мынаған тең
µ=g_sµВms (13.2)

мұндағы
g_s=1+ =2,0023

еркін электронның g-факторы, µ_В-Бор магнетоны, m_s=±1/2(магниттік кванттық сан).

В өрісте электронның Е энергиясы екі мән қабылдай алады:

(13.3)
және

(13.4)
Магниттік деңгейшелер арасында ауысулар элетромагниттік энергия кванты осы деңгейшелер арасындағы ∆Е энергиялардың айырымына тең болғанда мүмкіндік болады:
(13.5)
Электронның бір деңгейшеден басқасына ауысуы спиннің бағытының өзгеруімен бір мезетте қабат өтеді:
(13.6)



13.3-cурет. Еркін электронның сыртқы тұрақты Н магнит өрісіндегі айнымалы электромагниттік өріс энергиясын жұтуы.
Т
148
өменгі деңгейден жоғарғы деңгейге ауысқанда энергия жұтылады, ал кері ауысу болғанда энергия шығарылады (13.3-сурет). Осы процестердің ықтималдылығы бірдей, бірақ термодинамикалық тепе-теңдік жағдайында, Больцман үлестірілуіне сәйкес

)

<sub>төменгі деңгейдің N1 қоныстануы жоғарғы деңгейдің N2 қоныстануына қарағанда үлкен болады да энергия жұтылады. Егер қандайда бір жолмен қоныстанулардың N1> N2инверсиясы жасалған болса, онда электромагниттік өрістің әрекетінен жүйе энергияны шығаратын болады.

Бірнеше электроны бар бөлшектер үшін S ½-ге еселенген кезкелген мән қабылдай алады(13.2б,13.2в-сурет), ал деңгейлердің энергиясы</sub>

---

болады, мұндағы m_S=S, S-1, … -(S-1), -S 2S+1 мәндерін қабылдай алады.

g – факторының шамасы электронның спиндік және орбиталдық импульс моменттерінің қосындысы мәнімен анықталады және ол g_S-тен бірнеше есе өзгеше бола алады. m_Sбойынша шамасына өзгеше деңгейлер арасында магниттік дипольдік ауысулар мүмкін болады және резонанс шарты бұрынғыдай (13.5) формуласымен сипатталады:


13.4-сурет. Энергетикалық деңгейлердің жіктелу схемасы; а-ішкі кристалдық өріспен әсерлескенде; б-электронның ядромен әсерлесуін ескергенде.
Электрондардың ішкі кристалдық өріспен әсерлесуі S≥ 1 үшін энергия деңгейлерінің мәндері әртүрлі магнит өрісі жоқтада (Н=0) жіктелуін туғызады. Осының нәтижесінде ЭПР спектрінде бірнеше жұтылу сызығы байқалады. (нәзік түзіліс, 13.4а-сурет).


149
Электрондардың парамагниттік атом ядросының магниттік моментімен әсерлесуі ЭПР спектрінде аса нәзік түзілістің пайда болуына алып келеді.

Жұптаспаған электрон бір протонмен (протонның спині ) әсерлесетін атомды қарастырайық. Сыртқы Н магнит өрісінде, электрон үшіндегідей, протонның магниттік моментінің екі бағдалануы іске асады; өріс бағытында және өріске қарсы .

Протонның магниттік моменті электрон тұрған орында қосымша ΔН₁ магнит өрісін туғызады. Сондықтан сыртқы магнит өрісінің Н₀кернеулігі жағдайында атомдардың

---

болатын бір бөлігінің жұптаспаған электрондары қосынды өрісте болады. болатын атомдарда қосынды өріс шамасы болады.

Магнит өрісінде ядролары және күйлерінде болатын атомдардың энергиялары іс жүзінде ажыратылмайды, сондықтан осы күйлердегі ядролар саны іс жүзінде бірдей болады. Осыдан +ΔН₁ және -ΔН₁ қосымша өрістерде тұрған электрондар саны да бірдей болады. Сонымен, жұптаспаған электронның әрбір энергетикалық деңгейі екі бірдей қоныстанған деңгейге жіктеледі.(13.4б-сурет).

Э
150
лектрондық ауысулар жағдайында сұрыптау ережесі Δm₁=0. Бүл демек, электрондық ауысу уақыты ішінде ядролық спиннің бағдарлануы өзгермейді. 13.4б-суреттен деңгейлердің жіктелуі нәтижесінде бір жұтылу сызығы орнына екеуі байқалады. Біреуі екіншісі сыртқы магнит өрісі кернеуліктерінде спектрдегі сызықтардың ара қашықтығы аса нәзік жіктелу деп аталады, және ол көбінесе магнит өрісінің кернеулігі бірлігінде өлшенеді, бірақ жиіліктер бірлігінде де өлшеуге болады. а шамасы электрондық тығыздықтың үлестірілуіне тәуелді. Парамагниттік бөлшектің электрондарының ядроларының ядролардың магниттік моменттерімен әсерлесуі ЭПР сызығын жіктейді. Аса нәзік және супер аса нәзік түзілістерді зерттеу жұптаспаған электрондардың орналасқан орнын анықтауға мүмкіндік береді.

---

Сурет 13.5 ЭПР-дің өлшеуіш көпірінің принциптік схемасы.
13.5-суретте электрондық парамагниттік резонатордың өлшеуіш көпірінің схемасы келтірілген. Көпірбір бұтақтағы R кедергілер магазинінен және басқа бұтақтағы резонатор тізбегінен тұрады. Зерттелінетін зат резонатор тізбегінде тұрған катушкаға орналастырылады. Көпір бұтақтардың толық кедергілері бірдей болатындай және а және в нүктелері арасындағы потенциалдар айырымы нөлге тең болатындай етіліп жасалған. Егер сыртқы магнит өрісі затта энергияның жұтылуы байқалатындай берілсе, онда а және в нүктелері арасындағы кернеу өседі.

Жұмыста орам саны n = 250 және радиусы R = 0,054 м Гельмгольц катушкалары қолданылады, катушкалардың симметрия осінде жатқан нүктедегі бұлардың сыртқы магнит өрісін мына формуламен анықтауға болады:

(13.9)

мұндағы μ₀ = 1,256·10^-6Тл·м/А.

n және R-ді ескеріп табамыз: В = 3,74765·10^-3IТл/А.

g – фактор үшін (5) формуладан

(13.10)

немесе

(13.11)

мұндағы B_r теслада, немесе

(13.12)

мұндағы I_rтогы амперде алынған.



151

---

Смотрите также файлы

• ылыми білімдерді дамуы iv н. Коперник арыш лемі туралы діни кзараса кйрете соы берген Польшаны алымы.docx

• 4. техника ауіпсіздік алындатышты жндеу кезіндегі техника кауіпсіздігі.docx

• Перечислите статьи Гражданского кодекса Российской Федерации, устанавливающие специальные сроки исковой давности и укажите, к каким требованиям они применяются.docx

• Открытый социальноэкономический колледж Программа среднего профессионального образования 44.docx

• Практическая работа 5 Нормализация отношений Цель приобрести практические навыки проведения нормализации отношений. Задание.docx