12.2.5. Радиоспектроскопия.

Радиоспектроскопия представляет собой метод исследования резо-нансных 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 индуциро-ванными переходами между уровнями энергии Е_i , E_j. атомов, молекул, атом-ных ядер при выполнении условия для интервала энергии ΔЕ = Е_i - E_j. = hv, где h — постоянная Планка, ν — частота радиоволны.

Существует множество физических процессов, в которых форми-руются 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 (циклотрон-ный 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.

• Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) — метод радиоско-пического исследования парамагнитного вещества, парамагнетизм кото-рого обусловлен спинами электронов, на основе явления резонансного поглощения излучения радиочастотного диапазона (10⁹ ÷ 10¹² Гц).

Источником возникновения магнитного момента служит неспа-ренный спин или отличный от нуля суммарный спин электронов. В постоян-ном 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 ÷ 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.

• Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – метод радиоскопического иссле-дования вещества при резонансном поглощении электромагнитной энергии, обусловленном ядерным парамагнетизмом.

Я МР наблюдается в сильном магнитном поле Н₀ при одновременном воздействии на образец слабого перпендикулярного радиочастотного маг-нитного поля Н₁ (рис. 2.2.15).

У ядер имеются спины , которые формируют моменты количества движения , а также магнитные моменты , где γ_я — гиро-магнитное отношение ядер. При взаимодействии постоянного магнитного поля H₀ с магнитным моментом ядра μ возникает прецессия ядра с резо-нансной частотой ω₀ = γ_яН₀. При Н₀ = 10⁴ Э для протонов значение частоты составляет около 42 МГц, а для других ядер в пределах 1 ÷10 МГц. Резонанс обнаруживается поглощением электромагнитной энергии и возникновением ЭДС в катушке, окружающей образец.

Методы ЯМР используются для изучения структуры и состава хими-ческих 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 изуче-ния процессов адсорбции газов и жидкости поверхностью полупроводников.

• Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) — метод радиоскопического исследования вещества при резонансном поглощении электромагнитной энергии атомными ядрами, уровни которых расщеплены вследствие взаимодействия электрического квадрупольного момента ядра с градиентами электрического поля внутри кристалла.

ЯКР наблюдается в отсутствие магнитного поля. Применение ЯКР основано на связи между структурой кристалла и значениями градиентов внутрикристаллического поля. Именно структура кристалла определяет резо-нансные частоты ЯКР. Этот метод позволяет изучить внутреннее состояние кристаллов вследствие того, что подвижность атомов влияет на частоту и форму линий ЯКР. По уширению линий определяют дефекты кристал-лической решетки.