Geneza detekcije fine strukture spektralnih linija. Fina struktura spektralnih linija

Proučavanje spektra atoma vodika pomoću spektralnih instrumenata visoke rezolucije i velike disperzije pokazalo je da spektralne linije vodika imaju finu strukturu, tj. sastoje se od nekoliko linija vrlo bliskih valnih duljina. Na primjer, linija glave serije Balmer H je kvintet (sastoji se od pet odvojenih linija) s razlikom valne duljine od nm.

Fina struktura spektralnih linija atoma sličnog vodiku objašnjava se dodatnom interakcijom između naboja atomske jezgre i spinskog magnetskog momenta elektrona. Ova interakcija se naziva spin-orbitala.

Ukupna kutna količina gibanja elektrona zbroj je njegove orbitalne i spinske kutne količine gibanja. Zbrajanje ovih momenata događa se prema zakonima kvantne mehanike tako da kvantni broj ukupnog kutnog momenta j može uzeti dva (
,
, Ako
) ili jedan (
, Ako
) značenje .

Uzimajući u obzir međudjelovanje spin-orbita atomskog stanja s različitim vrijednostima j imaju različite energije, pa razine energije variraju
podijeliti na dva podrazina tzv dubleti. Nefisione razine s
I
se zovu samice.

Veličina cijepanja određena je valno relativističkom Diracovom jednadžbom, koja daje korekciju energije (5.2):

, (5.4)

Gdje
– konstanta fine strukture. Energija E nj interakcija spin-orbita je približno
dio energije elektrona E n. Relativna razlika u komponentama fine strukture spektralnih linija ima isti red malenosti. U ovom laboratorijskom radu rezolucija instrumenata ne dopušta nam promatranje tako malog cijepanja spektralnih linija atoma vodika.

3. Višeelektronski atomi

Višeelektronski atom sastoji se od jezgre s nabojem Ze a elektronski omotač koji okružuje jezgru sa Z elektroni (za atom žive
). Točno određivanje valne funkcije cijele elektronske ljuske atoma nemoguće je zbog velikog broja čestica Z. Obično se za izračune koristi atomski model koji čuva ideju o pojedinačnom stanju elektrona u atomu. U ovom pristupu tzv jednočestična aproksimacija, stanje pojedinačnih elektrona opisuje se pomoću četiri kvantna broja n, l, m, m s. Štoviše, prema Paulijevom principu, u jednom kvantnom stanju ne može postojati više od jednog elektrona. Elektroni atoma sa zadanom vrijednošću glavnog kvantnog broja n tvore ljusku (sloj). Skup elektrona sa zadanim vrijednostima kvantnih brojeva n I l tvori podljusku. Podljuske su označene slovima: s, str, d, f, , kojima vrijednosti odgovaraju
Najveći broj elektrona u podljusci je
. U s podljuske ovaj broj je 2, in strškoljka – 6, in dškoljka – 10, in fškoljka - 14, itd.

Elektronička konfiguracija zove se raspodjela elektrona u atomu po jednočestičnim stanjima s različitim n I l. Na primjer, za atom žive, oznaka za elektroničku konfiguraciju je: , gdje brojevi iznad simbola podljuske označavaju broj elektrona u danom stanju. Raspored elektronskih ljuski i podljusaka u konfiguraciji određen je redoslijedom popunjavanja jednočestičnih elektronskih stanja. Stanja punjenja počinju od nižih energetskih razina. U atomu žive prve četiri ljuske su potpuno ispunjene, ali peta i šesta nisu potpuno ispunjene. U osnovnom stanju atoma žive dva valentna elektrona nalaze se na 6 s podljuska.

Za atom s više elektrona, ukupni kutni moment potpuno ispunjenih unutarnjih ljuski i podljusaka jednak je nuli. Stoga je ukupni kutni moment takvog atoma određen orbitalnim i spinskim momentima vanjskih, valentnih elektrona. Valentni elektroni su u centralno simetričnom polju jezgre i elektroni zatvorenih ljuski, stoga je njihov ukupni kutni moment očuvana veličina. Za lake i srednje atome, međudjelovanje elektrona, zbog njihovih orbitalnih i spinskih momenata, dovodi do toga da se ti momenti zasebno zbrajaju, tj. orbitalni momenti svih elektrona zbrajaju ukupni orbitalni moment atoma
, a spinski momenti elektrona zbrajaju spinski moment atoma
. U ovom slučaju kažu da između elektrona postoji L-S veza ili Rossel–Saundersova veza.

Kvantni brojevi L I S Orbitalni i spinski momenti atoma određeni su općim kvantnomehaničkim pravilima za dodavanje kutne količine gibanja. Na primjer, ako dva valentna elektrona imaju kvantne brojeve l 1 i l 2, dakle L može uzeti sljedeće cjelobrojne vrijednosti:
. Primjenjujući slično pravilo za spin, a uzimajući u obzir da je spinski broj elektrona
, dobivamo moguće vrijednosti S za dva valentna elektrona:
.

Razina energije koja odgovara određenim vrijednostima kvantnih brojeva L I S, nazvao spektralni termin. U spektroskopiji je uobičajeno označavati pojam simbolom
, gdje umjesto vrijednosti
staviti slova S, P, D, F, … odnosno. Broj
nazvao mnoštvo terme.

Uzimajući u obzir međudjelovanje spin-orbita, energetska razina, ili termin, podijeljena je na nekoliko podrazina, koje odgovaraju različitim vrijednostima ukupnog kutnog momenta atoma. Ovaj termin cijepanje se zove tanak ili multiplet. Zadani brojevi L I S ukupni kutni moment atoma
određena kvantnim brojem J, koji može poprimiti sljedeće vrijednosti: . Komponente fine strukture ili energetske podrazine koje odgovaraju zadanim vrijednostima L, S I J označeni su simbolom
.

Ako spinski broj dvaju valentnih elektrona atoma žive
, tada jedina moguća vrijednost
. U ovom slučaju višestrukost pojma jednaka je
, tj. sve razine su jednostruke. Njihove spektralne oznake: ,,
,itd.

R je. 5.3

Ako
, A
, tada su moguća tri slučaja:
. U ovom slučaju višestrukost je jednaka
, tj. sve razine su trostruke. I na kraju, ako
, tada jedina vrijednost
, a razina ovog stanja je jednostruka. U skladu s tim dobivaju se sljedeće moguće razine energije u atomu žive: ,,,,
,
,
,
,,
itd.

Sve navedene razine energije određene su različitim dopuštenim skupovima kvantnih stanja u kojima se mogu nalaziti valentni elektroni atoma žive.

Analiza spektra emisije i apsorpcije žive u ultraljubičastom, vidljivom i infracrvenom području omogućila je sastavljanje cjelovitog dijagrama mogućih energetskih razina i prijelaza između njih (slika 5.3). Na dijagramu su prikazane valne duljine spektralnih linija žive u nanometrima, kao i kvantni broj n za svaku razinu .

Dijagram prikazuje vrijednosti glavnog kvantnog broja u blizini odgovarajućih energetskih razina. Na sl. 5.3 također pokazuje prijelaze između razina i valne duljine spektralnih linija žive koje odgovaraju tim prijelazima. Mogući prijelazi određeni su pravilima odabira:
;
I
, te prijelaz iz drž
u stanju
nemoguće. Od zahtjeva
proizlazi da su dopušteni prijelazi između razina iste mnogostrukosti (singlet - singlet i triplet-triplet prijelazi). Međutim, kao što se može vidjeti sa Sl. 5.3, promatraju se i prijelazi zabranjeni pravilima selekcije (pet singlet-triplet prijelaza). Postojanje prijelaza zabranjenih pravilima odabira događa se za atome s velikim atomskim brojevima. Pri proučavanju sheme razina i prijelaza atoma žive potrebno je obratiti pozornost na sljedeću okolnost: za velike atomske brojeve cijepanje multipleta zbog interakcije spin-orbita ima velike vrijednosti. Dakle, tripletna razina žive
ima cijepanje (razlika između maksimalne i minimalne energije) reda veličine jednog elektron volta, što je otprilike jedna desetina energije osnovnog stanja atoma žive. U tom smislu, dijeljenje energetskih razina više se ne može smatrati "suptilnim".

Daljnje proučavanje atomskih spektara pokazalo je da mnoge spektralne linije imaju dvije bliske komponente. Tako je još 1887. godine A. Michelson otkrio cijepanje - linije Balmerove serije u vodiku generirane tranzicijom

Ispostavilo se da se sastoji od dvije linije s prosječnom valnom duljinom od 6563 Å.

Riža. 5.9. Albert Abraham Michelson 1852–1931

Razlika valne duljine je 0.14 Å (to jest, relativna veličina podjele reda 10 – 5 ). Linije podijeljene na 3 , 4 i više komponenti. Razdvajanje linija, kao što sada razumijemo, znači razdvajanje energetskih razina atoma: izgledaju, kako kažu, kao fina struktura. To znači da postoji neobračunata interakcija. Rekli smo da do cijepanja linija dolazi, na primjer, kada nametnuto vanjsko polje naruši simetriju sustava. I ovdje se neobračunata interakcija očituje u odsutnosti vanjskih polja, odnosno mora biti povezana s nekim unutarnjim svojstvima atoma.

Ispostavilo se da je to doista manifestacija unutarnjih svojstava, ali ne atoma kao cjeline, već elektrona. Godine 1925. S. Goudsmit i J. Uhlenbeck iznijeli su hipoteza o spinu elektrona: pretpostavili su postojanje vlastitog kutnog momenta elektrona, koji nije povezan s orbitalnim gibanjem. Isprva se vrtnja smatrala vrtnjom. vrtjeti) elektron oko vlastite osi (analogno dnevnoj rotaciji Zemlje). Tada su shvatili da se "vrtenje" ne može shvatiti doslovno: numeričke procjene dale su linearnu brzinu vrtnje koja premašuje brzinu svjetlosti u vakuumu.

Riža. 5.10. Samuel Abraham Goudsmit 1902–1978

Riža. 5.11. George Eugene Uhlenbeck 1900–1988

Njegovo postojanje ostaje misterij ako se nalazimo samo u okviru Heisenberg-Schrödingerove kvantne mehanike. Spin je dobio prirodno objašnjenje tek u relativističkoj kvantnoj teoriji P. Diraca, koja je spojila teoriju relativnosti s kvantnom mehanikom.

Riža. 5.12. Paul Adrien Maurice Dirac, 1902.–1984

Iz pokusa je proizlazilo da treba pripisati elektron spinski kvantni broj s = 1/2, koji ima ista svojstva (vidi formulu (5.5)) kao i kvantni broj l. Radi sažetosti, uobičajeno je spin nazvati kvantnim brojem vrtjeti. I ubuduće ćemo koristiti ovu općeprihvaćenu terminologiju.

Sukladno tome, postoji jedinstvena svojstvena vrijednost operatora spina na kvadrat

i projekcija vrtnje na neku os (koja prolazi kroz jedinicu ħ sve vrijednosti od maksimuma do minimuma) zapisuju se kao

Gdje uzima samo dvije vrijednosti

Broj je pozvan kvantni broj magnetskog spina.

Odakle dolazi do cijepanja spektralnih linija? Pokušajmo ovo razumjeti koristeći semiklasično zaključivanje. U klasičnoj fizici svaka rotacija električnog naboja stvara magnetsko polje. Rotirajući u orbiti s radijusom R klasični elektron se može prikazati kao zavojnica s jakošću struje l koji pokriva područje, odnosno poput magnetskog dipola s magnetskim momentom


Riža. 5.13. Model spina i magnetskog momenta elektrona u okvirima klasične fizike

Klasična procjena: elektron u orbiti s radijusom R i brzina v ima period cirkulacije

Uzmimo neku točku u orbiti. Tijekom T kroz njega prolazi naboj e, odnosno jakost struje je po definiciji jednaka

Osim toga, elektron ima orbitalni moment

tako da se struja može izraziti kao orbitalni moment, eliminirajući brzinu elektrona:

Tada je orbitalni magnetski moment koji stvara elektron jednak

Riža. 5.14. Klasični model elektrona u kružnoj orbiti

Zamijenimo sada u skladu s pravilima kvantizacije

i dobivamo izraz za orbitalni magnetski moment, koji se može strože izvesti:

To dovodi do sljedećih zaključaka:

· Prirodna jedinica za magnetske momente u mikrokozmosu – tzv Bohrov magneton

· Projekcija magnetskog momenta na bilo koju os uvijek mora biti cijeli višekratnik Bohrovog magnetona:

(Sada je jasno zašto kvantni broj n zove se magnetski.)

· Stav orbitalni magnetski moment elektrona prema njegovom orbitalni kutni moment, tzv žiromagnetski omjer, jednako

Eksperimenti su pokazali da spin elektrona ima dvostruki magnetizam: vlastiti magnetski moment elektrona povezan sa spinom jednak je

odnosno žiromagnetski omjer za nju se pokazao dvostruko većim . To je još jedan dokaz da se elektron ne može zamisliti kao nabijena kuglica koja rotira oko vlastite osi: u tom slučaju bi se dobio uobičajeni žiromagnetski omjer. Za projekciju intrinzičnog magnetskog momenta imamo

i od

Kao rezultat toga, za projekciju spinskog magnetskog momenta opet smo dobili cjelobrojne višekratnike Bohrovog magnetona, kao i za orbitalno gibanje. Iz nekog razloga, priroda se radije bavi cijelim Bohrovim magnetonom nego njegovim dijelovima. Stoga kompenzira polucijelu vrijednost vlastitog kutnog momenta dvostrukim žiromagnetskim omjerom.

Riža. 5.15. Ilustracija orbitalnih i spinskih momenata elektrona

Sada možemo razumjeti zašto prisutnost vlastitog magnetskog momenta elektrona dovodi do pojave neke do sada neobjašnjene interakcije. Da bismo to učinili, prijeđimo opet na poluklasični jezik. Orbitalno gibanje elektrona stvara magnetsko polje koje djeluje na vlastiti magnetski moment elektrona. Na sličan način Zemljino magnetsko polje djeluje na iglu kompasa. Energija te interakcije pomiče energetske razine atoma, a veličina pomaka ovisi, općenito govoreći, o spinu i orbitalnom kutnom momentu.

Važan zaključak:

Primjer 1. Procijenimo cijepanje energetskih razina zbog međudjelovanja spinskih i orbitalnih magnetskih momenata elektrona u atomu vodika.

Kružni zavoj s radijusom R sa jakošću struje ja stvara magnetsko polje u središtu

U ovom poglavlju je pokazano da se elektron koji rotira u orbiti može prikazati kao zavojnica sa strujom

Ovdje za ocjenu stavljamo

Tada dobivamo za magnetsko polje stvoreno orbitalnim gibanjem elektrona u atomu vrijednost reda veličine

Energija interakcije vlastitog magnetskog momenta elektrona s ovim magnetskim poljem jednaka je po redu veličine

Za procjenu stavljamo R jednak Bohrovom polumjeru prve orbite . Zamjenjujući ovdje izraze za i i uzimajući u obzir to

dobivamo procjenu pomaka energetskih razina

gdje je gore uvedena konstanta fine strukture (vidi (3.3)). Poznato je da je energija prve razine atoma vodika jednaka

pa se (3.13) može prepisati kao

Jer

a E = 13 6 eV, To

i relativni pomak razina

što je u skladu s eksperimentalnim podacima.

Ovo je procjena (ne izračun) željene podjele razine. U biti, cijepanje razina je relativistički učinak: prema Bohru, brzina elektrona u prvoj orbiti

Stoga ne čudi da se svojstva spina mogu u potpunosti razumjeti samo u relativističkoj kvantnoj teoriji. Ne postavljamo sebi takav zadatak, ali jednostavno ćemo uzeti u obzir prisutnost ovog nevjerojatnog svojstva u elektronu.

Eksperimentalni dokaz postojanja spina elektrona dat je u Stern-Gerlachovom eksperimentu 1922. Ideja eksperimenta je da u magnetskom polju nejednolikom duž osi z, elektroni su podložni sili pomaka usmjerenoj duž polja. Podrijetlo te sile lakše je najprije razumjeti na primjeru električnog dipola postavljenog u električno polje. Električni dipol je par suprotnih naboja , nalazi se na maloj udaljenosti l jedni od drugih. Veličina električnog dipolnog momenta definirana je kao

i vektor l smatra se da je usmjeren od negativnog naboja prema pozitivnom.

Neka pozitivni naboj bude u točki r, a negativna je u točki , dakle

Neka je dipol postavljen u električno polje s intenzitetom . Nađimo silu koja djeluje na dipol. Sila djeluje na pozitivan naboj

na negativno -

Rezultirajuća sila bit će

Budući da je udaljenost između naboja mala, polje na mjestu gdje se nalazi negativni naboj može se približno zapisati kao

Zamjenjujući ovo proširenje u izraz za silu F, pronašli smo

Ako je polje homogeno ( E ne ovisi o ), tada na naboje dipola djeluju jednake i suprotne sile i rezultirajuća sila je jednaka nuli, kao što slijedi iz jednadžbe (5.14). Kao što je poznato, takav par sila ne pomiče dipol (koji je općenito električki neutralan), već ga samo rotira duž polja (magnetski analog je igla kompasa). U nejednolikom polju rezultirajuća sila je različita od nule. U posebnom slučaju kada polje ovisi samo o koordinati z, u jednadžbi (5.14) samo izvod u odnosu na z

gdje je projekcija električnog momenta na os z. Nehomogeno polje nastoji povući dipol u područje gdje je jači.

Magnetskih naboja nema, već je magnetski dipol ostvaren zavojnicom s strujom, a svojstva su mu slična kao kod električnog dipola. Stoga je u formuli (5.15) potrebno električno polje zamijeniti magnetskim, električni moment magnetskim, te napisati sličan izraz za silu koja djeluje na elektron u Stern-Gerlachovom pokusu

Shema pokusa: snop atoma leti kroz nejednoliko magnetsko polje usmjereno poprečno na brzinu atoma. Sila koja djeluje na magnetske momente atoma otklanja ih. Prema mogućim vrijednostima projekcije magnetskog momenta na smjer polja, početna zraka se dijeli na nekoliko zraka. Ako je ukupni magnetski moment atoma određen samo spinom elektrona, tada će se početni snop podijeliti na dva. Za višeelektronske atome može biti više podijeljenih zraka. Stern i Gerlach su za svoj eksperiment koristili srebro koje je ispareno u električnom štednjaku. Brojčane vrijednosti cijepanja bile su djelići milimetra. Autori su u svojim nalazima naglasili da nisu detektirani nikakvi neodstupajući atomi. U nastavku ćemo vidjeti da je to specifičnost pokusa s elementima prve skupine.

Riža. 5.16. Dijagram Sternovog i Gerlachovog pokusa

Glavni rezultat eksperimenata Sterna i Gerlacha je izravni eksperimentalni dokaz kvantizacija smjerovi magnetskog momenta atoma. Prema klasičnoj fizici, početni snop se ne bi trebao cijepati, već se razmazati u skladu s proizvoljnošću projekcije magnetskog momenta na smjer magnetskog polja. Sukladno tome, na ekranu iza uređaja, umjesto dvije odvojene linije koje ostavljaju atomi srebra, trebala bi se vidjeti zamućena pruga.

Riža. 5.17. Otto Stern, 1888–1969

Riža. 5.18. Walter Gerlach, 1889–1979

Primjer 2. Uzak snop atoma s brzinom i masom n prošli kroz poprečno nehomogeno magnetsko polje u kojem na njih djeluje sila (sl. 5.19). Duljina područja polja , udaljenost od magneta do ekrana. Odredimo kut odstupanja traga snopa atoma na ekranu od njegovog položaja kada je magnetsko polje isključeno.

Ako su spinski i orbitalni momenti u atomu različiti od nule, tada se zbog međudjelovanja spinskih i orbitalnih momenata (spin-orbitalna interakcija) razine energije mogu dodatno podijeliti. Zbog toga će se izgled EPR spektra zakomplicirati te će se umjesto jedne spektralne linije u EPR spektru pojaviti više linija. U ovom slučaju kažu da EPR spektar ima finu strukturu. U prisutnosti jake spin-orbitalne interakcije, cijepanje Zeemanovih razina može se uočiti čak i u odsutnosti vanjskog magnetskog polja.

Širina spektralne linije

EPR signale karakterizira određena spektralna širina linije. To je zbog činjenice da Zeemanove energetske razine između kojih se javljaju rezonantni prijelazi nisu beskonačno uske linije. Ako se zbog interakcije nesparenih elektrona s drugim paramagnetskim česticama i rešetkom te razine pokažu zamagljenima, tada se uvjeti rezonancije mogu ostvariti ne pri jednoj vrijednosti polja H 0, već u određenom rasponu polja. Što su interakcije spin-spin i spin-rešetka jače, to je spektralna linija šira. U teoriji magnetske rezonancije uobičajeno je karakterizirati interakciju spinova s ​​rešetkom takozvanim spin-rešetkastim vremenom relaksacije T1, a interakciju između spinova spin-spinskim vremenom relaksacije T2. Širina jedne EPR linije obrnuto je proporcionalna ovim parametrima:

Vremena relaksacije T1 i T2 ovise o prirodi paramagnetskih centara, njihovoj okolini i molekularnoj pokretljivosti te temperaturi.

Proučavanje oblika EPR spektra ovisno o različitim fizikalno-kemijskim čimbenicima važan je izvor informacija o prirodi i svojstvima paramagnetskih centara. Oblik EPR spektra radikala osjetljiv je na promjene u njihovoj okolini i mobilnosti, pa se često koriste kao molekularne sonde za proučavanje mikroviskoznosti i strukturnih promjena u različitim sustavima: otopinama, polimerima, biološkim membranama i makromolekularnim kompleksima. Na primjer, iz temperaturnih ovisnosti intenziteta i širine EPR spektra spinskih sondi mogu se dobiti važne informacije o faznim prijelazima u sustavu koji sadrži paramagnetske centre.

Gore navedene karakteristike EPR spektara - g-faktor, fina i ultrafina struktura EPR spektra, širine pojedinih komponenti spektra - svojevrsna su "putovnica" paramagnetskog uzorka, koja se može koristiti za

identificirati izvor EPR signala i odrediti njegova fizikalno-kemijska svojstva. Na primjer, promatranjem ESR signala bioloških objekata može se izravno pratiti napredovanje unutarstaničnih procesa u listovima biljaka, životinjskim tkivima i stanicama te bakterijama.

NUKLEARNA MAGNETSKA REZONANCIJA

Sve do nedavno, naše razumijevanje strukture atoma i molekula temeljilo se na studijama koje su koristile optičku spektroskopiju. U vezi s poboljšanjem spektralnih metoda, koje su područje spektroskopskih mjerenja unaprijedile u područje ultravisokih (oko 103 - 106 MHz; mikroradiovalovi) i visokih frekvencija (oko 10-2 - 102 MHz; radio valovi), pojavili su se novi izvori informacija o građi tvari. Pri apsorpciji i emitiranju zračenja u ovom frekvencijskom području odvija se isti osnovni proces kao i kod ostalih područja elektromagnetskog spektra, naime pri prelasku s jedne na drugu energetsku razinu sustav apsorbira ili emitira određeni kvant energije.

Razlika u razinama energije i energija kvanta uključenih u te procese je oko 10-7 eV za radiofrekvencije i oko 10-4 eV za ultravisoke frekvencije. U dvije vrste radiospektroskopije, odnosno spektroskopiji nuklearne magnetske rezonancije (NMR) i nuklearne kvadrupolne rezonancije (NQR), razlika u energijama razina povezana je s različitim orijentacijama, odnosno, magnetskih dipolnih momenata jezgri u primijenjenom magnetskom polju i električni kvadrupolni momenti jezgri u molekularnim električnim poljima, ako potonja nisu sferno simetrična.

Postojanje nuklearnih momenata prvi je put otkriveno proučavanjem hiperfine strukture elektroničkih spektara određenih atoma pomoću optičkih spektrometra visoke razlučivosti.

Pod utjecajem vanjskog magnetskog polja, magnetski momenti jezgri su usmjereni na određeni način i postaje moguće promatrati prijelaze između razina nuklearne energije povezane s tim različitim usmjerenjima: prijelaze koji se događaju pod utjecajem zračenja određene frekvencije. Kvantizacija razina nuklearne energije izravna je posljedica kvantne prirode kutne količine gibanja jezgre, koja poprima 2I + 1 vrijednosti. Kvantni broj spina (spin) I može uzeti bilo koju vrijednost koja je višekratnik ½.

Vrijednosti I za određene jezgre ne mogu se predvidjeti, ali je primijećeno da izotopi u kojima su i maseni broj i atomski broj parni imaju I = 0, a izotopi s neparnim masenim brojevima imaju polucijele vrijednosti spina. Ova situacija, kada je broj protona i neutrona u jezgri paran i jednak (I = 0), može se smatrati stanjem s "potpunim sparivanjem", analogno potpunom sparivanju elektrona u dijamagnetskoj molekuli.

Krajem 1945. dvije skupine američkih fizičara predvođene F. Blochom (Sveučilište Stanfor) i E.M. Purcell (Sveučilište Harvard) prvi su dobili signale nuklearne magnetske rezonancije. Bloch je promatrao rezonantnu apsorpciju na protonima u vodi, a Purcell je bio uspješan u otkrivanju nuklearne rezonancije na protonima u parafinu. Za to su otkriće 1952. godine dobili Nobelovu nagradu.

NMR SPEKTROSKOPIJA VISOKE REZOLUCIJE

Bit fenomena NMR može se ilustrirati na sljedeći način. Ako se jezgra s magnetskim momentom postavi u uniformno polje H 0 usmjereno duž osi z, tada je njena energija (u odnosu na energiju u odsutnosti polja) jednaka – m z H 0 , gdje je m z projekcija nuklearni magnetski moment na smjer polja.

Kao što je već navedeno, jezgra može biti u 2I + 1 stanjima. U nedostatku vanjskog polja H0 sva ta stanja imaju istu energiju.

Jezgra spina I ima diskretne razine energije. Cijepanje energetskih razina u magnetskom polju može se nazvati nuklearnim Zeemanovim cijepanjem, jer je slično cijepanju elektronskih razina u magnetskom polju (Zeemanov efekt).

Fenomen NMR sastoji se od rezonantne apsorpcije elektromagnetske energije zbog magnetizma jezgri. To dovodi do očitog naziva pojave: nuklearna - govorimo o sustavu jezgri, magnetska - mislimo samo na njihova magnetska svojstva, rezonancija - sama pojava je rezonantne prirode.

NMR spektroskopiju karakterizira niz značajki koje je razlikuju od ostalih analitičkih metoda. Otprilike polovica (~150) jezgri poznatih izotopa ima magnetske momente, ali samo se manjina sustavno koristi.

Prije pojave pulsirajućih spektrometara, većina studija provedena je korištenjem NMR fenomena na vodikovim jezgrama (protonima) 1H (protonska magnetska rezonancija - PMR) i fluoru 19F. Ove jezgre imaju idealna svojstva za NMR spektroskopiju:

* visok prirodni sadržaj “magnetskog” izotopa (1H 99,98%, 19F 100%); Za usporedbu, može se spomenuti da je prirodni sadržaj "magnetskog" izotopa ugljika 13C 1,1%;

* veliki magnetski moment;

* vrtnja I = 1/2.

To prvenstveno određuje visoku osjetljivost metode pri detekciji signala iz gore navedenih jezgri. Osim toga, postoji teorijski strogo potkrijepljeno pravilo prema kojem električni kvadrupolni moment imaju samo jezgre sa spinom jednakim ili većim od jedinice. Posljedično, 1H i 19F NMR eksperimenti nisu komplicirani interakcijom nuklearnog kvadrupolnog momenta jezgre s električnim okruženjem. Velik broj radova posvećen je rezonanciji na jezgrama osim 1H i 19F, kao što su 13C, 31P, 11B, 17O u tekućoj fazi (kao i na jezgrama 1H i 19F).

NMR spektri visoke rezolucije obično se sastoje od uskih, dobro razdvojenih linija (signala) koji odgovaraju magnetskim jezgrama u različitim kemijskim okruženjima. Intenziteti (površine) signala pri snimanju spektra proporcionalni su broju magnetskih jezgri u svakoj skupini, što omogućuje provođenje kvantitativne analize pomoću NMR spektara bez prethodne kalibracije.

Druga značajka NMR je utjecaj procesa izmjene u kojima sudjeluju rezonantne jezgre na položaj i širinu rezonantnih signala. Stoga se priroda takvih procesa može proučavati iz NMR spektara. NMR linije u tekućim spektrima obično imaju širinu od 0,1 – 1 Hz (NMR visoke rezolucije), dok će iste jezgre ispitane u čvrstoj fazi dovesti do linija širine reda veličine 1 "104 Hz (stoga koncept široke linije NMR).

U NMR spektroskopiji visoke rezolucije postoje dva glavna izvora informacija o strukturi i dinamici molekula:

Kemijski pomak

U stvarnim uvjetima, rezonantne jezgre, čiji se NMR signali detektiraju, sastavni su dio atoma ili molekula. Kada se ispitivane tvari stave u magnetsko polje (H 0), nastaje dijamagnetski moment atoma (molekula), uzrokovan orbitalnim gibanjem elektrona. Ovo kretanje elektrona stvara efektivne struje i, prema tome, stvara sekundarno magnetsko polje, proporcionalno u skladu s Lenzovim zakonom s poljem H 0 i suprotno usmjereno. Ovo sekundarno polje djeluje na jezgru. Dakle, lokalno polje na mjestu gdje se nalazi rezonantna jezgra je

gdje je σ bezdimenzionalna konstanta, koja se naziva konstanta zaštite i neovisna je o H0, ali jako ovisi o kemijskom (elektronskom) okruženju; karakterizira smanjenje Hloc u usporedbi s H0. Vrijednost σ varira od vrijednosti reda 10 -5 za proton do vrijednosti reda 10 -2 za teške jezgre.

Efekt screeninga je smanjenje udaljenosti između razina nuklearne magnetske energije ili, drugim riječima, dovodi do konvergencije Zeemanovih razina. U tom slučaju kvanti energije koji uzrokuju prijelaze između razina postaju manji i stoga dolazi do rezonancije na nižim frekvencijama. Ako provodimo eksperiment mijenjajući polje H0 dok ne nastupi rezonancija, tada bi primijenjena jakost polja trebala biti veća nego u slučaju kada jezgra nije oklopljena.

U velikoj većini NMR spektrometara spektri se snimaju kada se polje mijenja slijeva na desno, tako da bi signali (vrhovi) najzaštićenijih jezgri trebali biti na desnoj strani spektra. Pomak signala ovisno o kemijskoj okolini, zbog razlika u konstantama probira, naziva se kemijski pomak.

Otkriće kemijskog pomaka prvi je put objavljeno u nekoliko publikacija između 1950. i 1951. godine. Među njima valja istaknuti rad Arnolda i suradnika (1951.), koji su dobili prvi spektar s odvojenim linijama koje odgovaraju kemijski različitim položajima identičnih jezgri 1H u jednoj molekuli. Govorimo o etilnom alkoholu CH3CH2OH, čiji je tipični 1H NMR spektar niske rezolucije prikazan na Sl. 3.

U ovoj molekuli postoje tri vrste protona: tri protona metilne skupine CH3-, dva protona metilenske skupine -CH2- i jedan proton hidroksilne skupine -OH. Može se vidjeti da tri odvojena signala odgovaraju trima vrstama protona. Budući da je intenzitet signala u omjeru 3:2:1, dekodiranje spektra (dodjela signala) nije teško. Budući da se kemijski pomaci ne mogu mjeriti na apsolutnoj ljestvici, to jest, u odnosu na jezgru bez svih elektrona, signal referentnog spoja koristi se kao referentna nula. Obično se vrijednosti kemijskog pomaka za bilo koju jezgru daju u obliku bezdimenzionalnog parametra δ.

Jedinica kemijskog pomaka je jedan milijunti dio jakosti polja ili rezonantne frekvencije (ppm). U stranoj literaturi ova kratica odgovara ppm (parts per million). Za većinu jezgri koje čine dijamagnetske spojeve, raspon kemijskih pomaka njihovih signala je stotine i tisuće ppm, dosežući 20 000 ppm. u slučaju NMR 59Co (kobalt). U spektrima 1H protonski signali velike većine spojeva leže u rasponu 0 – 10 ppm.

Spin-spin interakcija

Godine 1951. - 1953., prilikom snimanja NMR spektara niza tekućina, otkriveno je da spektri nekih tvari imaju više linija nego što proizlazi iz jednostavne procjene broja neekvivalentnih jezgri. Jedan od prvih primjera je rezonancija na fluoru u molekuli POCl2F. Spektar 19F sastoji se od dvije linije jednakog intenziteta, iako je u molekuli samo jedan atom fluora. Molekule drugih spojeva davale su simetrične multipletne signale (triplete, kvartete itd.).

Još jedan važan čimbenik pronađen u takvim spektrima bio je taj da udaljenost između linija, mjerena na frekvencijskoj ljestvici, ne ovisi o primijenjenom polju H0, umjesto da je proporcionalna s njim, kao što bi bio slučaj da je višestrukost nastala zbog razlike u konstante probira.

Ramsey i Purcell 1952. prvi su objasnili ovu interakciju, pokazujući da je ona posljedica neizravnog mehanizma kroz elektroničko okruženje. Nuklearni spin nastoji usmjeriti spinove elektrona koji okružuju datu jezgru. Oni pak usmjeravaju spinove drugih elektrona i, preko njih, spinove drugih jezgri. Energija spin-spin interakcije obično se izražava u hercima (odnosno, Planckova konstanta se uzima kao jedinica energije, na temelju činjenice da je E = hn). Jasno je da nema potrebe (za razliku od kemijskog pomaka) izražavati ga u relativnim jedinicama, budući da interakcija o kojoj se raspravlja, kao što je gore navedeno, ne ovisi o jakosti vanjskog polja. Veličina interakcije može se odrediti mjerenjem udaljenosti između komponenti odgovarajućeg multipleta.

Najjednostavniji primjer cijepanja zbog spin-spin sprezanja koji se može susresti je rezonantni spektar molekule koja sadrži dvije vrste magnetskih jezgri A i X. Jezgre A i X mogu predstavljati različite jezgre ili jezgre istog izotopa (na primjer , 1H ) u slučaju kada su kemijski pomaci između njihovih rezonantnih signala veliki.

Udaljenost između komponenti u svakom dubletu naziva se konstanta spin-spin sprege i obično se označava kao J (Hz); u ovom slučaju to je konstanta JAX.

Pojava dubleta posljedica je činjenice da svaka jezgra cijepa rezonantne linije susjedne jezgre na 2I + 1 komponentu. Razlike u energiji između različitih stanja spina toliko su male da se u toplinskoj ravnoteži vjerojatnosti tih stanja, u skladu s Boltzmannovom distribucijom, pokazuju gotovo jednakima. Posljedično, intenziteti svih linija multipleta koje nastaju interakcijom s jednom jezgrom bit će jednaki. U slučaju kada postoji n ekvivalentnih jezgri (odnosno, jednako zaštićenih, pa njihovi signali imaju isti kemijski pomak), rezonantni signal susjedne jezgre podijeljen je u 2nI + 1 linija.

Ubrzo nakon otkrića fenomena NMR-a u kondenziranoj tvari postalo je jasno da će NMR biti temelj moćne metode za proučavanje strukture tvari i njezinih svojstava. Doista, kada proučavamo NMR spektre, kao rezonantni sustav koristimo sustav jezgri koje su izuzetno osjetljive na magnetsko okruženje. Lokalna magnetska polja u blizini rezonantne jezgre ovise o intra- i intermolekularnim efektima, što određuje vrijednost ove vrste spektroskopije za proučavanje strukture i ponašanja multielektronskih (molekularnih) sustava.

Trenutačno je teško naznačiti područje prirodnih znanosti gdje se NMR ne koristi u jednom ili drugom stupnju. Metode NMR spektroskopije imaju široku primjenu u kemiji, molekularnoj fizici, biologiji, agronomiji, medicini, u proučavanju prirodnih tvorevina (liskuna, jantara, poludragog kamenja, zapaljivih minerala i drugih mineralnih sirovina), odnosno u takvim znanstvenim područjima. u kojem se proučava struktura tvari, njezina molekularna struktura, priroda kemijskih veza, međumolekulske interakcije i različiti oblici unutarnjeg kretanja.

NMR metode se sve više koriste za proučavanje tehnoloških procesa u tvorničkim laboratorijima, kao i za praćenje i reguliranje tijeka tih procesa u raznim tehnološkim komunikacijama neposredno u proizvodnji. Istraživanja u posljednjih pedesetak godina pokazala su da metode magnetske rezonancije mogu otkriti poremećaje u biološkim procesima u vrlo ranoj fazi. Razvijene su i proizvode se instalacije za proučavanje cjelokupnog ljudskog tijela metodama magnetske rezonancije (metode NMR tomografije).

Makroskopska struktura spektralne linije su broj linija i njihov položaj. Određen je razlikom u energetskim razinama različitih atomskih orbitala. Međutim, nakon detaljnijeg pregleda, svaka linija otkriva vlastitu detaljnu finu strukturu. Ova struktura se objašnjava malim interakcijama koje lagano pomiču i dijele energetske razine. Mogu se analizirati pomoću metoda teorije poremećaja. Fina struktura vodikovog atoma zapravo predstavlja dvije neovisne korekcije Bohrovih energija: jednu zbog relativističkog gibanja elektrona, a drugu zbog interakcije spin-orbita.

Relativističke korekcije

U klasičnoj teoriji, kinetički član Hamiltonijana je: T=\frac(p^(2))(2m)

Međutim, s obzirom na STR, moramo koristiti relativistički izraz za kinetičku energiju, T=\sqrt(p^(2)c^(2)+m^(2)c^(4))-mc^(2)

gdje je prvi član ukupna relativistička energija, a drugi član energija mirovanja elektrona. Stavljajući ovo u red, dobivamo

T=\frac(p^(2))(2m)-\frac(p^(4))(8m^(3)c^(2))+\točke

Stoga je korekcija prvog reda Hamiltonijanu jednaka H"=-\frac(p^(4))(8m^(3)c^(2))

Koristeći ovo kao poremećaj, možemo izračunati korekcije relativističke energije prvog reda.

E_(n)^((1))=\langle\psi^(0)\vert H"\vert\psi^(0)\rangle=-\frac(1)(8m^(3)c^(2 ))\langle\psi^(0)\vert p^(4)\vert\psi^(0)\rangle=-\frac(1)(8m^(3)c^(2))\langle\psi ^(0)\vert p^(2)p^(2)\vert\psi^(0)\rangle

Gdje \psi^(0)- neporemećena valna funkcija. Prisjećajući se neporemećenog Hamiltonijana, vidimo

H^(0)\vert\psi^(0)\rangle=E_(n)\vert\psi^(0)\rangle

\lijevo(\frac(p^(2))(2m)+U\desno)\vert\psi^(0)\rangle=E_(n)\vert\psi^(0)\rangle

p^(2)\vert\psi^(0)\rangle=2m(E_(n)-U)\vert\psi^(0)\rangle

E_(n)^((1))=-\frac(1)(8m^(3)c^(2))\langle\psi^(0)\vert p^(2)p^(2)\ vert\psi^(0)\rangle

E_(n)^((1))=-\frac(1)(8m^(3)c^(2))\langle\psi^(0)\vert (2m)^(2)(E_(n )-U)^(2)\vert\psi^(0)\rangle

E_(n)^((1))=-\frac(1)(2mc^(2))(E_(n)^(2)-2E_(n)\langle U\rangle +\langle U^(2 )\rangle)

Za atom vodika, U=\frac(e^(2))(r), \langle U\rangle=\frac(e^(2))(a_(0)n^(2)) I \langle U^(2)\rangle=\frac(e^(4))((l+1/2)n^(3)a_(0)^(2)) Gdje a_(0)- Bohrov radijus, n- glavni kvantni broj i l- orbitalni kvantni broj. Posljedično, relativistička korekcija za atom vodika jednaka je

E_(n)^((1))=-\frac(1)(2mc^(2))\lijevo(E_(n)^(2)-2E_(n)\frac(e^(2))( a_(0)n^(2)) +\frac(e^(4))((l+1/2)n^(3)a_(0)^(2))\desno)=-\frac( E_(n)^(2))(2mc^(2))\lijevo(\frac(4n)(l+1/2)-3\desno)

Spin-orbitalna sprega

Korekcija spin-orbite pojavljuje se kada se pomaknemo iz standardnog referentnog sustava (gdje elektron leti oko jezgre) u sustav u kojem elektron miruje, a jezgra leti oko njega. U ovom slučaju pokretna jezgra je učinkovita petlja sa strujom, koja zauzvrat stvara magnetsko polje. Međutim, sam elektron ima magnetski moment zbog svog spina. Dva magnetska vektora, \vec B I \vec\mu_s drže zajedno na takav način da se pojavljuje određena energija ovisno o njihovoj relativnoj orijentaciji. To dovodi do energetske korekcije forme \Delta E_(SO) = \xi (r)\vec L \cdot \vec S

vidi također

Napišite recenziju o članku "Fina struktura"

Književnost

  • Griffiths, David J. Uvod u kvantnu mehaniku (2. izdanje). - Prentice Hall, 2004. - ISBN ISBN 0-13-805326-X.
  • Liboff, Richard L. Uvod u kvantnu mehaniku. - Addison-Wesley, 2002. - ISBN ISBN 0-8053-8714-5.

Linkovi

Izvadak koji karakterizira finu strukturu

- Koji vitez? Iz čega? – upita Pierre pocrvenjevši.
- Pa, hajde, dragi grofe, c "est la fable de tout Moscou. Je vous admire, ma parole d" honneur. [cijela Moskva to zna. Stvarno, iznenađen sam tobom.]
- Dobro! Fino! - rekao je milicajac.
- Dobro onda. Ne možeš mi reći koliko je dosadno!
“Qu"est ce qui est la fable de tout Moscou? [Što cijela Moskva zna?] - rekao je Pierre ljutito, ustajući.
- Hajde, grofe. Znaš!
„Ne znam ništa“, rekao je Pierre.
– Znam da si bio prijatelj s Natalie i zato... Ne, ja sam uvijek više prijatelj s Verom. Cette chere Vera! [Ova slatka Vera!]
"Ne, madame", nastavio je Pierre nezadovoljnim tonom. “Uopće nisam preuzeo ulogu viteza Rostove i nisam bio s njima skoro mjesec dana.” Ali ne razumijem okrutnost...
“Qui s"excuse - s"accuse, [Tko se ispričava, sam je kriv.] - rekla je Julie, smiješeći se i mašući lintom, a kako bi ona imala posljednju riječ, odmah je promijenila razgovor. – Što je, saznala sam danas: jadna Marie Volkonskaya jučer je stigla u Moskvu. Jeste li čuli da je izgubila oca?
- Stvarno! Gdje je ona? “Jako bih je želio vidjeti”, rekao je Pierre.
– Jučer sam proveo večer s njom. Danas ili sutra ujutro ide u moskovsku oblast sa svojim nećakom.
- Pa, kako je ona? - rekao je Pierre.
- Ništa, tužan sam. Ali znate li tko ju je spasio? Ovo je cijeli roman. Nikola Rostov. Opkolili su je, htjeli je ubiti, ranili njen narod. Uletio je i spasio je...
"Još jedan roman", reče milicajac. “Ovaj opći bijeg je bio odlučno učinjen kako bi se sve stare nevjeste udale.” Catiche je jedno, princeza Bolkonskaya je drugo.
“Znate da ja stvarno mislim da je ona un petit peu amoureuse du jeune homme.” [malo zaljubljena u mladića.]
- Dobro! Fino! Fino!
– Ali kako to možete reći na ruskom?..

Kad se Pierre vratio kući, dobio je dva Rastopchinova postera koja su donesena tog dana.
Prvi je rekao da je glasina da je grofu Rostopchinu zabranjeno napustiti Moskvu nepravedna i da je, naprotiv, grofu Rostopchinu drago što dame i trgovačke žene napuštaju Moskvu. “Manje straha, manje vijesti”, pisalo je na plakatu, “ali odgovaram svojim životom da u Moskvi neće biti zlikovaca.” Ove su riječi Pierreu prvi put jasno pokazale da će Francuzi biti u Moskvi. Na drugom plakatu je pisalo da je naš glavni stan u Vjazmi, da je grof Wittschstein porazio Francuze, ali kako se mnogi stanovnici žele naoružati, za njih je u arsenalu pripremljeno oružje: sablje, pištolji, puške, koje stanovnici mogu dobiti jeftina cijena. Ton plakata više nije bio tako razigran kao u Chigirinovim prijašnjim razgovorima. Pierre je razmišljao o ovim posterima. Očito, onaj strašni grmljavinski oblak, koji je zazivao svom snagom svoje duše i koji je ujedno u njemu izazivao nehotičan užas - očito se taj oblak približavao.
“Da se prijavim u vojsku i idem u vojsku ili da čekam? – Pierre si je to pitanje postavio po stoti put. Uzeo je špil karata koji mu je ležao na stolu i počeo igrati pasijans.
"Ako izađe ovaj pasijans", rekao je sam sebi, miješajući špil, držeći ga u ruci i gledajući gore, "ako izađe, to znači... što to znači?" Nije imao vremena odlučite što je značilo kad se iza vrata ureda začuo glas najstarije princeze koja je pitala može li ući.
„Onda će to značiti da moram ići u vojsku“, završio je Pierre u sebi. "Uđi, uđi", dodao je, okrećući se princu.
(Jedna najstarija princeza, dugog struka i skamenjenog lica, nastavila je živjeti u Pierreovoj kući; dvije mlađe su se udale.)
"Oprosti mi, mon rođače, što sam došla k tebi", rekla je prijekorno uzbuđenim glasom. – Uostalom, konačno se moramo o nečemu odlučiti! Što će to biti? Svi su napustili Moskvu, a narod se buni. Zašto ostajemo?
"Naprotiv, čini se da je sve u redu, moja rođakinja", rekao je Pierre s onom navikom razigranosti koju je Pierre, koji je uvijek posramljeno podnosio svoju ulogu dobročinitelja pred princezom, stekao u odnosu na nju.

- (multiplet splitting), cijepanje energetskih razina i spektra. linije atoma, molekula i kristala, zbog interakcije spin-orbita. Broj podrazina na koje je energetska razina podijeljena ovisi o broju mogućih orijentacija... ... Fizička enciklopedija

Fina struktura- U atomskoj fizici, fina struktura (multiplet splitting) opisuje cijepanje spektralnih linija atoma, što je određeno razlikom u energetskim razinama različitih atomskih orbitala. Međutim, uz detaljnije proučavanje, svaki... ... Wikipedia

Fina struktura- multipletno cijepanje, cijepanje energetskih razina i spektralnih linija atoma, molekula i kristala, uzrokovano spin-orbit interakcijom (Vidi Spin-orbit interakcija). Broj podrazina na koje je podijeljen... ...

Struktura (značenja)- Struktura (od latinskog structūra “struktura”): Sadržaj 1 Glavno značenje 2 Ostala značenja (koristi se uz ... Wikipedia

Ultrafina struktura- hiperfino cijepanje razina, cijepanje energetskih razina (Vidi Energetske razine) atoma u blisko međusobno razmaknute podrazine, uzrokovano međudjelovanjem magnetskog momenta jezgre s magnetskim poljem atomskih elektrona. Energija (E od ovoga... ... Velika sovjetska enciklopedija

Bohrov model atoma- Bohrov model atoma sličnog vodiku (Z nuklearni naboj), gdje je negativno nabijen elektron zatvoren u atomskoj ljusci koja okružuje malu, pozitivno nabijenu atomsku jezgru ... Wikipedia

Sommerfeld-Dirac formula- Gibanje elektrona oko atomske jezgre u okviru klasične mehanike može se smatrati linearnim oscilatorom, koji je karakteriziran adijabatskom invarijantom, a to je područje elipse (u generaliziranim koordinatama): gdje .. ... Wikipedia

Sommerfeld-Dirac formula- Gibanje elektrona oko atomske jezgre u okviru klasične mehanike može se smatrati "linearnim oscilatorom", koji je karakteriziran "adijabatskom invarijantom", a to je područje elipse (u generaliziranim koordinatama) : gdje ... ... Wikipedia

Sommerfeld, Arnold- Arnold Sommerfeld Arnold Sommerfeld Sommerfeld na ... Wikipediji

SPEKTROSKOPIJA- grana fizike posvećena proučavanju spektra elektromagnetskog zračenja. Ovdje ćemo pogledati optičku spektroskopiju, koja se često naziva jednostavno spektroskopija. Svjetlost je elektromagnetsko zračenje valne duljine l od 10 3 do 10 8 m. Ovaj raspon... ... Collierova enciklopedija

MOLEKULARNI SPEKTRI- emisijski, apsorpcijski i Ramanov spektar svjetlosti koji pripada slobodnim ili slabo vezanim molekulama. Tipični M. s. prugasti, promatraju se kao skup više ili manje uskih traka u UV zračenju, vidljivih i... ... Fizička enciklopedija

Imate pitanja?

Prijavite grešku pri upisu

Tekst koji ćemo poslati našoj redakciji: