Mở đầu Hiện tợng cộng hởng từ hạt nhân lĩnh vực nghiên cứu đợc phát từ năm 1946 đợc áp dụng rộng rãi nhiều ngành khoa học kỷ thuật đời sống nay, tợng cộng hởng từ hạt nhân liên hệ chặt chẽ với hiệu ứng Zeeman: Hiện tợng xảy đặt hệ nguyên tử từ trờng hệ xảy phân bố lại mức lợng dẫn đến xuất số vạch Có hai loại hiệu ứng Zeeman hiệu ứng Zeeman thờng xuất hệ nguyên tử có spin =0 hiệu ứng Zeeman dị thờng xuất hệ nguyên tử có spin Hiệu ứng Zeeman đợc giải thích dựa lí thuyết mẫu véc tơ nguên tử học lợng tử Tuy nhiên tợng cộng hởng từ hạt nhân xảy với hệ nguyên tử có spin 0, đề tài tìm hiểu giải thích hiệu ứng Zeeman dị thờng Hiện tợng cộng hởng từ hạt nhân xảy dịch chuyển cỡng lợng Zeeman, dới tác dụng xạ có tần số tần số dịch chuyển cỡng bức, tức có cộng hởng Tần số dịch chuyển hiệu ứng Zeeman nằm miền phổ sóng vô tuyến ngắn đợc nghiên cứu quang phổ vô tuyến Điều đáng ý sở cộng hởng từ hạt nhân phơng pháp quang phổ vô tuyến ngời ta xác định xác mô men từ nhiều hệ nguyên tử nh hạt nhân Trong chơng trình học, phần hiệu ứng Zeeman tợng cộng hởng từ hạt nhân đợc đề cập tới Tuy nhiên giới hạn thời gian nên phần nội dung nh ứng dụng tợng cha đợc trình bày đầy đủ Chính ,chúng đặt vấn đề nghiên cứu : Hiện tợng cộng hởng từ hạt nhân ứng dụng Ngoài phần mở đầu, kết luận danh mục tài liệu tham khảo, luận văn đợc chia làm chơng : Chơng I-Hiệu ứng Zeeman dị thờng Nội dung chơng trình bày giải thích hiệu ứng Zeeman dị thờng từ trờng yếu, dựa sở mẫu véc tơ nguyên tử học lợng tử Chơng II Hiện tợng cộng hởng từ hạt nhân Nội dung chơng trình bày khái niệm, sở lí thuyết, sở thực nghiệm nh điều kiện xảy cộng hởng tợng cộng hởng từ hạt nhân Chơng III ứng dụng phổ cộng hởng từ hạt nhân việc nghiên cứu cấu trúc hợp chất hữu số kĩ thuật phân tích phổ cộng hởng từ hạt nhân Do giới hạn thời gian trình độ, luận văn tránh khỏi thiếu sót, mong đợc quan tâm góp ý thầy, cô giáo, bạn sinh viên để luận văn đợc hoàn thiện Cuối xin đợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Nguyễn Văn Phú, thầy đặt toán, cung cấp tài liệu tận tình hớng dẫn suốt trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo chuyên ngành Quang học-Quang phổ, khoa vật lý giúp đỡ nhiều để hoàn thành luận văn Vinh, tháng năm 2005 Sinh viên thực Hoàng Văn Ba Chơng I - hiệu ứng ZEEMAN dị thờng Khi hệ nguyên tử đặt từ trờng, hệ xảy phân bố lại mức lợng không suy biến thành suy biến Sự dịch chuyển mức lợng không suy biến làm xuất số vạch Nh từ trờng vạch trớc đợc phân thành số vạch khác Sự phân bố mức lợng vạch từ trờng đợc gọi hiệu ứng Zeeman Cơ sở lý thuyết để giải thích hiệu ứng dựa mẫu véc tơ nguyên tử học lợng tử Bài toán học lợng tử nguyên tử đặt từ trờng chủ yếu đợc giải với nguyên tử H không để ý để ý tới spin điện tử, đồng thời đợc tổng quát hoá cho nguyên tử nhiều điện tử Ngời ta phân biệt hiệu ứng Zeeman thờng, xuất hệ nguyên tử có spin không hiệu ứng Zeeman dị thờng xuất hệ nguyên tử có spin khác không Ngày nghiên cứu hiệu ứng Zeeman vạch quang phổ phơng pháp quan trọng để xác định đặc trng mức lợng nguyên tử, cho phép xác định dễ dàng phổ nguyên tử phức tạp, hiểu đợc từ trờng nguồn sáng đặc biệt từ trờng vết mặt trời khảo sát Mặt trời Hiện tợng cộng hởng từ liên hệ chặt chẽ với hiệu ứng Zeeman; thực chất tợng dịch chuyển cỡng mức lợng Zeeman xảy dới tác dụng xạ có tần số tần số dịch chuyển cỡng tức có cộng hởng Thờng thờng tần số dịch chuyển mức Zeeman nằm miền sóng vô tuyến ngắn đợc nghiên cứu quang phổ vô tuyến Trên sở cộng hởng từ phơng pháp quang phổ vô tuyến ngời ta xác định xác mô men từ hệ nhiều nguyên tử nh hạt nhân Trong chơng xét hiệu ứng Zeeman dị thờng I Hiệu ứng Zeeman dị thờng từ trờng yếu Hiệu ứng Zeeman dị thờng xuất có mặt spin hệ nguyên tử Trong từ trờng yếu, liên kết ( L, S ) đợc bảo toàn Nói cách khác, từ trờng cha cắt mối liên kết mômen quỹ đạo chuyển động mômen spin điện tử Chúng ta giải thích hiệu ứng sở mẫu véc tơ học lợng tử Sử dụng mẫu véc tơ nguyên tử a) Độ lớn phân bố mức lợng Nguyên tử đặt từ trờng nhận thêm lợng phụ (1.1) W = àHCos ( , H ) H cờng độ từ trờng = L + àS - mômen toàn phần nguyên tử Trong L mômen từ quỹ đạo nguyên tử àS mômen từ spin hệ Do có mặt lợng phụ, mức lợng ban đầu có từ àJ trờng tách thành số àS mức dẫn tới phân bố lại H mức lợng Hiệu ứng Zeeman dị thờng khác hiệu ứng Zeeman thờng giá trị PJ W công thức (1.1) phụ àL thuộc phức tạp vào số lợng tử J, L, S hệ nguyên tử Ta PL tính giá trị W Từ quan PS Hình vẽ điểm mẫu véc tơ, mômen toàn phần chuyển động tuế sai chung quanh phơng mômen toàn phần P Do từ trờng yếu, xem chuyển động nhanh chuyển động tuế sai chung quanh từ trờng tính H (hình vẽ 1) Giá trị tính công thức (1.1) phải đợc lấy trung bình theo thời gian xảy chuyển động Phân tích thành hai thành phần = J // + J lấy trung bình theo thời gian J = đồng với J // (do ta bỏ qua dấu song song dùng công thức sau này) Khi công thức (1.1) trở thành : W = J H cos(p J , H ) (1.2) Từ hình vẽ chiếu lên phơng véc tơ pJ , ta có : J = L cos(p L , p J ) + S cos(p S , p J ) (1.3) Dùng tỉ số từ biết àL = Trong = à0 p L ; S = PS e đợc gọi manheton Bohr ký hiệu p L , p S 2mc mômen quỹ đạo spin toàn phần thoả mãn điều kiện lợng tử hoá sau : PL2 = L( L + 1) ; PS2 = S ( S + 1) p J = p S + p L àJ = nên PJ2 = J ( J + 1) công thức (1.3) trở thành : p L cos(p L , p J ) + p S cos(p S , p J ) (1.4) Sử dụng công thức hàm cosin ta có : Cos (PL , PJ ) = Cos (Ps , PJ ) = PL2 + PJ2 PS2 2PL PJ PS2 + PJ2 PL2 2PS PJ Thay vào (1.3) ta dợc : àJ = 0.PJ P2 + P2 P2 S L + J 2PJ Hay dùng số lợng tử J, L, S ta nhận đợc àJ = Với g(J) = + PJ J ( J + 1) + S ( S + 1) L( L + 1) + = g ( J )PJ J ( J + 1) (1.5) J ( J + 1) + S ( S + 1) L( L + 1) đợc gọi thừa số Landé ,còn biểu J ( J + 1) thức : Cos (PJ , H ) = PJH M J = PJ PJ (1.6) MJ nhận giá trị từ J, J-1,., -J tức có 2J+1 giá trị Thay (1.5) (1.6) vào (1.1) ta nhận đợc: W = M J g ( J ).à H (1.7) Từ công thức (1.7) ta nhận thấy, hiệu ứng Zeeman dị thờng, mức ban đầu không tách thành khoảng nguyên lần à0 H mà phụ thuộc vào g nguyên hay phân số đồng thời phụ thuộc vào số lợng tử MJ Rõ ràng mức lợng có đặc trng J khác phân bố khác b) Độ lớn phân bố vạch Trong thang tần số phân bố vạch đợc xác định công thức : = W1 W2 = ( M J1 g1 M J g ) H h h đại lợng ( M J g1 M J g ) phân số Ngời ta phân biệt thành phần xuất có dịch chuyển MJ = 0, thành phần xuất có dịch chuyển MJ = 2 Chẳng hạn vạch S P3 từ trờng yếu đợc phân vạch nh 2 bảng tính sau Theo bảng, vạch xuất dịch chuyển theo mũi tên thẳng thành phần theo mũi tên xiên thành phần (có thành phần thành phần ) MJ S1 +1 2 M Jg P3 2 độ lớn phân bố vạch theo công thức (1.8) : với thành phần = với thành phần , = 3à H à0 H h (1.8) à0 H Ta thờng kí hiệu tắt thành phần nh sau : (1) 35 kí hiệu +3 ngoặc thành phần P3 +1 2 tính giá trị trung bình loạt số hạng Hình vẽ bên mô tả thành phần vừa đợc Giá trị g tuân theo nguyên tắc sau: 2 S1 +1 2 có L S LS L[...]... tợng cộng hởng từ hạt nhân Hiện tợng cộng hởng từ hạt nhân đợc phát hiện lần đầu tiên vào năm 1946 bởi F.Bloch và E.M.Farcell Và cho đến nay cộng hởng từ hạt nhân đã đợc áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học kỹ thuật và đời sống Khả năng lớn nhất của nó là đợc dùng để xác định các mômen từ hạt nhân Qua những vạch rất hẹp của cộng hởng từ hạt nhân có thể đo chính xác độ bền vững của từ trờng Sự phụ... Những hạt nhân không có spin (I=0) thì không gây ra mômen từ ( à = 0 ) tức là không có từ tính Ngời ta nói hạt nhân đó không hoạt động từ và không có cộng hởng từ hạt nhân Những hạt nhân có I0 gây ra một mômen từ à0 Bảng một số giá trị mômen từ hạt nhân 4 12 17 Hạt nhân 2 He 6C 13 N Spin 0 1/2 5/2 11 40 19 K 4 125 49 I 9/2 238 92 U 0 Mômen từ 0 (Tính theo à hn ) 0,7 4,4 -1,3 5,5 0 II Hiện tợng cộng. .. N2 m=-1 E 1 m= 2 m=-1 m=0 E m=0 N1 m=+1 Không có từ trờng Hình 6.c m=+ m=+1 1 2 Có mặt của từ trờng Không có mặt từ trờng Hình 6.d Hình 6 Có mặt của từ trờng Sự định hớng của mômen từ hạt nhân và sự tách tơng ứng mức năng lợng hạt nhân a và c : I = 1 và b và d : I=1 2 Biểu thức (2.18) cho thấy E phụ thuộc vào bản thân và cờng độ từ trờng áp đặt cho hạt nhân Nh vậy mức năng lợng cách đều nhau một lợng... phân cộng hởng từ hạt nhân, cũng nh của dạng vào số hạt nhân nghiên cứu, vào cơ chế động học bên trong của hạt nhân và vào tính chất tích thoát của vật chất cho phép sử dụng hiện tợng này trong sản suất để điều chỉnh các quá trình kỹ thuật (phân tích định lợng, xác định độ làm giàu, kiểm tra các quá trình hoá kỹ thuật, đo vận tốc dòng chảy và độ nhớt của môi trờng lỏng, phát hiện các hợp chất thuận từ) ... mômen từ à Spin và mômen từ của proton có cùng một hớng; Spin và mômen từ của notron có hớng ngợc nhau Mômen từ của hạt nhân đợc đo bằng manhêtôn hạt nhân àhn có giá trị bé hơn 1836 lần manhêtôn Bohr à0 Điều đáng chú ý là mặc dù hạt notron không mang điện nhng mômen từ của nó có giá trị khác không Mômen từ hạt nhân là tổng hợp các mômen từ của các nuclon trong đó đối với các proton phải kể thêm mômen từ. .. chức và đoạn phân tử ) Trong những năm gần đây nhờ phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân ngời ta đã nghiên cứu vật chất trong các trạng thái rắn, lỏng và cũng nh khảo sát các dịch chuyển pha Chính những áp dụng phong phú nêu trên mà cộng hởng từ hạt nhân đã và đang phát triển rất mạnh mẽ Dới đây chúng tôi sẽ đi nghiên cứu cơ sở lý thuyết và một vài cơ sở thực nghiệm của hiện tợng 1 Cơ sở lý thuyết và điều... biết , H0 và từ đó xác định đợc mômen từ hạt nhân àI Cần chú ý rằng do các hằng số từ hồi chuyển khác nhau, nên khi ở cùng trong một từ trờng ngoài H0, chúng sẽ có giá trị khác nhau Hoặc đối với một loạt hạt nhân khi đặt trong từ trờng ngoài khác nhau chúng sẽ có tần số cộng hởng khác nhau Sau đây là tần số cộng hởng của một số hạt nhân Hạt nhân Từ trờng Tần số cộng hởng Hằng số A (MHz) (H0) ( ) 107rad.T-1.-1... của từ trờng H0 thì theo lý luận ở mục trên thành phần à z của mômen từ phân tử sẽ biến đổi một cách tuần hoàn Sự biến đổi này dẫn đến sự lệch phơng của chùm hạt trong từ trờng B khác trớc, số hạt rơi vào trong máy thu sẽ giảm Từ xuất hiện sự giảm của chùm hạt sẽ xác định đợc chính xác tần số cộng hởng và trên cơ sở = I H 0 Xác định đợc I và à I Sơ đồ nguyên lý của máy phổ cộng hởng từ hạt nhân. .. học, các đặc trng phân bố điện tử trong phân tử, hiện tợng phân ly tạo phức, liên kết hidro (tuy đợc phát hiện năm 1946, nhng khả năng ứng dụng cộng hởng từ hạt nhân để nghiên cứu cấu trúc các hợp chất hữu cơ chỉ bắt đầu từ năm 1953, từ đó phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân đợc phát triển rất nhanh và hiện nay chiếm vị trí hàng đầu trong số các phơng pháp vật lý xác định cấu trúc phân tử phơng pháp này... bằng E và gọi là năng lợng cộng hởng từ hạt nhân Nếu năng lợng hấp thụ ở dạng bức xạ điện từ thì tần số của bức xạ sẽ đợc xác định theo công thức : = 1 I H 0 2 (2.21) Nh vậy theo hệ thức (2.20) và (2.15) từ trờng tác dụng để có cộng hởng từ hạt nhân phải là một từ trờng biến thiên với tần số góc đồng nhất với xác định trong (2.20) hay có tần số dịch chuyển theo (2.21) Ngời ta thờng dùng từ trờng ... Mômen từ (Tính theo hn ) 0,7 4,4 -1,3 5,5 II Hiện tợng cộng hởng từ hạt nhân Hiện tợng cộng hởng từ hạt nhân đợc phát lần vào năm 1946 F.Bloch E.M.Farcell Và cộng hởng từ hạt nhân đợc áp dụng. .. từ hạt nhân Qua vạch hẹp cộng hởng từ hạt nhân đo xác độ bền vững từ trờng Sự phụ thuộc cờng độ tích phân cộng hởng từ hạt nhân, nh dạng vào số hạt nhân nghiên cứu, vào chế động học bên hạt nhân. .. tơng tác Spin - Spin ứng dụng phổ cộng hởng từ hạt nhân việc nghiên cứu cấu trúc hợp chất hữu số kỹ thuật phân tích phổ cộng hởng từ hạt nhân ứng dụng phổ cộng hởng từ hạt nhân việc nghiên cứu