Кіріспе

Атом ядросының магниттік моменті

Ядролық магниттік момент – атом ядросының магниттік моменті және протон мен нейтронның спинінен туындайды. Ол негізінен магниттік дипольдық момент болып табылады; квадрупольдық момент те гипержұқа құрылымда шағын өзгерістерге алып келеді. Спині нөлден өзгеше болатын барлық ядролардың магниттік моменті де нөлден өзгеше болады, және керісінше, бірақ екі шаманың арасындағы байланыс тікелей немесе есептеуге оңай емес. Ядролық магниттік момент элементтің изотоптарына байланысты өзгереді. Негізгі күйде (яғни, ең төменгі энергия күйінде) протон мен нейтронның саны жұп болатын ядро үшін, ядролық спин де, магниттік момент те әрқашан нөлге тең болады. Протон мен нейтронның біреуі немесе екеуі де тақ сан болған жағдайларда, ядро көбінесе нөлдік емес спин мен магниттік моментке ие болады. Ядролық магниттік момент – нуклондық магниттік моменттердің қосындысы емес, бұл қасиет ядролық күштің тензорлық табиғатына байланысты, мысалы, протон мен нейтронның екеуі де болатын ең қарапайым ядроның жағдайында, атап айтқанда, дейтерий ядросы – дейтерон.

Өлшеу әдістері

Ядролық магниттік моменттерді өлшеу әдістерін ішкі немесе сыртқы қолданылатын өрістермен өзара әрекеттесуіне қарай екі негізгі топқа бөлуге болады. Әдетте, сыртқы өрістерге негізделген әдістер дәлірек болады. Белгілі бір ядролық күйдің ядролық магниттік моментін өлшеу үшін әртүрлі тәжірибелік техникалар қолданылады. Мысалы, төмендегі техникалар өмірлік уақыты τ болатын байланысты ядролық күйдің магниттік моментін өлшеуге арналған: Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) мс. Уақыт бойынша дифференциалды бұрыштық үлестіру (TDPAD) с. Бұрыштық корреляция (PAC) нс. Уақыт бойынша дифференциалды вакуумға кері импульс (TDRIV) пс. Вакуумға кері импульс (RIV) нс. Өтпелі өріс (TF) нс. Өтпелі өріс сияқты техникалар бірнеше пс немесе одан да аз өмір сүру мерзіміне ие ядролық күйлерде g-факторды өлшеуге мүмкіндік берді.

Қалқа үлгісі

Қалқан моделі бойынша, протондар немесе нейтрондар қарама-қарсы жалпы бұрыштық импульспен жұптар құрайды. Сондықтан, протондар мен нейтрондардың саны жұп болатын ядроның магниттік моменті нөлге тең, ал протондар саны тақ және нейтрондар саны жұп (немесе керісінше) болатын ядроның магниттік моменті, жұпталмаған қалған нуклоның магниттік моментімен сәйкес келуі керек. Протон мен нейтронның саны тақ болатын ядро үшін, жалпы магниттік момент "соңғы", жұпталмаған протон мен нейтронның магниттік моменттерінің бір комбинациясы болады. Магниттік момент жұпталмаған нуклоның j, l және s арқылы есептеледі, бірақ ядролар жақсы анықталған l және s күйінде болмайды. Сонымен қатар, тақ-тақ ядролар үшін, дейтерийдегідей, екі жұпталмаған нуклонды қарастыру қажет. Сәйкесінше, әрбір мүмкін l және s күйлер комбинациясы үшін ядролық магниттік моментке сәйкес мән бар, ал ядроның нақты күйі осылардың суперпозициясы болып табылады. Осылайша, нақты (өлшенген) ядролық магниттік момент "таза" күйлерге байланысты мәндер арасында болады, бірақ ол олардың біріне жақын болуы мүмкін (дейтерийдегідей).

g-факторлары

g коэффициенті ядролық магниттік моментке қатысты өлшемсіз шама. Бұл параметр ядролық магниттік моменттің таңбасын қамтиды, бұл ядролық құрылым үшін өте маңызды, себебі ол ядролық толқындық функцияда қандай нуклонның (протон немесе нейтрон) басым екендігі туралы ақпарат береді. Оң таңба протонның басымдығымен, ал теріс таңба нейтронның басымдығымен байланысты. g(l) және g(s) мәндері нуклонның g факторлары деп аталады. Нейтрон мен протонның g(l) өлшенген мәндері олардың электр зарядына сәйкес келеді. Ядролық магнетон бірліктерінде, нейтрон үшін 1=g(l) = 0 және протон үшін 1=g(l) = 1. Нейтрон мен протонның g(s) өлшенген мәндері олардың магниттік моментінен (нейтронның немесе протонның магниттік моментінен) екі есеге үлкен. Ядролық магнетон бірліктерінде, нейтрон үшін 1=g(s) = −3.8263 және протон үшін 1=g(s) = 5.5858.

Гиромагниттік қатынас

Гиромагниттік қатынас, Лармор прецессиясы жиілігімен көрсетілген, ядролық магниттік резонанс талдауында маңызды рөл атқарады. Адам денесіндегі кейбір изотоптарда жұпталмаған протон немесе нейтрон болады (немесе екеуі де, себебі протон мен нейтронның магниттік моменттері толыққандай өшірілмейді). Төмендегі кестеде ядролық магнетонға қатынаста берілген өлшенген магниттік дипольдық моменттерді, өлшемсіз g-факторларын есептеу үшін жартылай бүтін ядролық спинге бөлуге болады. Бұл g-факторларын 7.622593285 санына көбейтуге болады, яғни ядролық магнетонды Планк тұрақтысына бөлу арқылы МГц/Т бірлігіндегі Лармор жиіліктерін алуға болады. Егер оны 2π-ге кем болатын азайтылған Планк тұрақтысына бөлсек, радианмен берілген гиромагниттік қатынас алынады, ол 2π еселенген мәнімен үлкен болады. Ядролық спиннің әртүрлі бағыттарына сәйкес келетін энергия деңгейлерінің квантталған айырмасы. Сыртқы магнит өрісіне бағытталған спинмен төменгі энергия күйіндегі ядролардың қатынасы Болцман таралымымен анықталады. Осылайша, өлшемсіз g-факторды ядролық магнетонға (3.1524512550) және қолданылатын магнит өрісіне көбейтіп, Болцман тұрақтысына (8.6173303) және температураға бөлу керек. Масса элементі Магниттік дипольдық момент (μ) Ядролық спин саны Лармор жиілігі (МГц/Т) Гиромагниттік қатынас, еркін атом (рад/с·мкТ) Изотоптық молық NMR сезімталдығы, 1H-қа қатысты Формула (өлшенген) I 1H2.79284734(3)1/25.5856946842.6267.52220899.98%12H0.857438228(9)10.8574382286.541.06629190.02%3H2.9789624656(59)1/25.957924931(12)7Li3.256427(2)3/22.170975016.5103.9770492.6%13C0.7024118(14)1/21.40482410.767.282861.11%14N0.40376100(6)10.403761003.119.33779899.63%19F2.626868(8)1/25.25373640.4251.6233100.00%23Na2.217522(2)3/21.478437111.370.808516100.00%31P1.13160(3)1/217.2108.394100.00%39K0.39147(3)3/20.26100492.012.50061293.1%