перпендикулярно h, магнитная энергия атома при условии /гт<СЯо и с учетом (1.43) и (1.46) может быть представлена в виде

E=a{.PjPt)-gj)siPjW)-gi>(Y>iW-\-gj,mpBfi„созЫ. (1.205)

Первые три члена в (1.205) не зависят от времени и определяют дискретные стационарные зеемановские уровни энергии, возни- кающие во внешнем магнитном поле Яо вследствие взаимодействия спинов ядра и электронной обЬлочки с внешним полем и между собой. Последний член выражения (1.205) представляет собой энергию, зависящую от времени, и может быть рассмотрен как возмущение, вызывающее переходы между этими уровнями.

При наличии неодинаковой населенности уровней i и k, между которыми происходит переход, возникает поглощение веществом электромагнитной энергии. Поглощаемая мощность

Pin=W,MW,{E,-E)lh, (1.206)

где Wift - вероятность поглощения; HNik - разность населенностей; Ei, Ek - энергия соответствующего уровня.

Следует иметь в виду, что резонансные процессы в веществах со спонтанным магнитным порядком (ферро-ферри-, антиферромагнетики) отличаются от процессов в веществах, не обладающих атомным магнитным порядком (диа-, парамагнетики). Так, в парамагнетиках наблюдаются переходы отдельных атомов из одного энергетического состояния в другое, а для маг-

нитоупорядоченных кристаллов харак- Рис. 1.56. Резонансная кривая терно коллективное возбуждение маг- поглощения

нитной системы в целом, поскольку

элементарные магнитные моменты образуют сильно связанную обменными силами систему многих частиц.

Резонансные явления оцениваются резонансной кривой поглощения и ее спектром, т. е. полной поглощенной мощностью, представляющей собой сумму Рш по всем уровням. Частоту резонанса «о и ширину резонансной линии Асо принято определять* по экспериментальной зависимости поглощаемой мощности от частоты переменного поля при Яо = const (рис. 1.56), хотя небольшое поглощение может происходить и на близлежащих частотах.

Частота резонанса определяется собственным типом колебаний магнитной системы, присущей исследуемому веществу с конкретным магнитным порядком. Ширина и форма реальной резонансной кривой также зависят от типа магнитногосостояния вещества и обус-

* В ряде случаев используют зависимость поглощаемой мощности от напряженности постоянного поля при <o=const.

ловлены диссипацией энергии, т. е. передачей ее от первичных типов колебаний магнитной системы, возбуждаемых полями Яо и h, к другим элементам структуры вещества, например к кристаллической решетке. В результате диссипации свободная прецессия конкретных магнитных моментов затухает, а для вынужденных резонансных колебаний характерны ограниченность амплитуды и конечность ширины резонансной кривой.

Диссипация энергии связана с процессами релаксации, под которыми понимают процессы, приводящие вещество к исходному состоянию термодинамического равновесия после прекращения воздействия /г и Яо либо к возможности 7 6 -„i непрерывного поглощения вещест-

Нй-О /

"9 /

вом мощности электромагнитного M=2pju и поля при наличии внешнего воздей-

" ствия.

" Наиболее существенными взаимо-

действиями, влияющими на релак-А сационные процессы, являются спин- =2 спиновое взаимодействие внутри системы магнитных моментов и спин-Рис. 1.57. Расщепление энергети- решеточное взаимодействие между тического уровня ядра со спином магнитной системой и решеткой, в ""2 которое часто включают взаимодей-

ствия, связанные с наличием электронов проводимости или входящих в решетку ионов.

Далее кратко рассмотрены основные типы магнитных резонансов, возникающих при наличии постоянного магнитного поля Яо в слабых электромагнитных полях с амплитудой /гт<сЯо. Несмотря на общность ряда процессов, протекающих при магнитных резонансах, каждый тип резонанса обладает специфическими особенностями. Так, для каждого конкретного резонанса характерно избирательное поглощение энергии электромагнитной волны определенной длины Я. Частотный диапазон резонансов простирается от радиоволн до инфракрасной области и составляет W-W Гц.

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

ЯМР в слабомагнитных веществах. Эта разновидность ЯМР обусловлена наличием только чисто ядерного магнетизма и наблюдается в магнетиках с магнитным моментом электронной оболочки, равным нулю (Mj=0).

При воздействии электромагнитного поля с энергией кванта Йсоо энергетический спектр такого диамагнетика в постоянном поле Яо определяют по формуле (1.207), учитывая, что Pj = 0. Резонансное поглощение энергии возникает вследствие вынужденных переходов ядер с магнитными моментами, направленными параллельно полю Яо, с нижнего энергетического уровня на верхний, где находятся ядра с магнитными моментами, направленными против поля. Этот процесс иллюстрируется рис. 1.57, на котором показано

расщепление энергетического уровня ядра со спином / = V2 на два, согласно (1.39), эквидистантных зеемановских уровня.

Разность энергий соседних уровней с mj и mj+i, между которыми осуществляются переходы, составит

Д£=-А[оЯо. (1.207)

Частота ЯМР, найденная из условия \АЕ\=Н(£,о, линейно зависит от поля Яо:

">о= ioo-vA. (1.208Г

Обычно ЯМР наблюдают в полях Яо=10 А/м, при этом частота резонанса о)о/(2я) ~ 10 Гц.

На практике форма резонансного сигнала и частота резонанса зависят от состояния вещества (жидкое, газообразное, твердое) и от видов взаимодействия магнитного момента ядра с внешней средой, например от магнитного дипольного взаимодействия, при котором магнитные моменты исследуемых ядер взаимодействуют помимо основного поля Яо со значительными магнитными полями («=4000 А/м), создаваемыми соседними ядрами.

Ширина резонанса Аш определяется сложными релаксационными процессами, из которых наиболее существенными являются опин-решеточная и спин-спиновая релаксации. С макроскопической точки зрения эти процессы, происходящие по экспоненциальным законам, характеризуются постоянными времени продольной Ti и поперечной тг релаксаций.

ЯМР в магнитоупорядоченных кристаллах. Отличительная особенность ЯМР в магнитоупорядоченных кристаллах состоит в том, что прецессия ядерного магнитного момента М/ происходит в результирующем магнитном поле Н, состоящем из внешнего поля Но и сильного внутреннего поля Н,, а квантовые переходы, обусловливающие поглощение высокочастотной энергии, вызываются главным образом переменной частью внутреннего иоля, создаваемого внешним переменным полем h.

Внутреннее поле Hi формируется в основном вследствие сверхтонкого взаимодействия ядерного спина атома с электронами не-скомпенсированной 3d (или 4/-) -оболочки, а также частично за счет дипольного взаимодействия ядерного магнитного момента Mr с моментами Mj окружающих магнитных атомов или ионов. Энергия сверхтонкого взаимодействия, определяемая по формуле (1.43), обусловливает наличие на исследуемых ядрах сверхтонкого локального поля:

Н(0)=-Ло!, (1.209)

где Ло - величина, связанная с константой сверхтонкого взаимодействия а и строением магнитоупорядоченного кристалла; / - намагниченность ферромагнетика (для антиферромагнетиков и ферритов-намагниченность соответствующей подрешетки).