«Ядерный квадрупольный резонанс»

(ЯКР)

резонансное поглощение электромагнитной энергии в кристаллах, обусловленное переходами между энергетическими уровнями, образующимися в результате взаимодействия ядер, обладающих электрическим квадрупольным моментом, с электрическим кристаллическим полем (См. Кристаллическое поле). ЯКР является частным случаем ядерного магнитного резонанса (См. Ядерный магнитный резонанс) (ЯМР) в кристаллах. Так называемый «чистый» ЯКР наблюдается в отсутствии постоянного магнитного поля.

Взаимодействие квадрупольного момента ядра с неоднородным внутренним электрическим полем Е кристалла приводит к появлению энергетических состояний, соответствующих различным ориентациям ядерного спина S относительно кристаллографических осей. Радиочастотное магнитное поле, так же как и в случае ЯМР, вызывает вынужденные магнитные дипольные переходы между этими состояниями, что обнаруживается как резонансное поглощение электромагнитной энергии. Т. к. энергия квадрупольного взаимодействия изменяется в широких пределах в зависимости от свойств ядра и структуры кристалла, то частоты ЯКР лежат в диапазоне от сотен кгц до тысяч Мгц. Положение энергетических уровней не зависит от ориентации осей кристалла относительно прибора, что позволяет пользоваться поликристаллическими образцами. Аппаратура, применяемая для исследования ЯКР, принципиально не отличается от спектрометров ЯМР.

При исследовании ЯКР измерения в отсутствии постоянного магнитного поля H₀ дополняются измерениями в поле H₀ В зависимости от соотношения между энергией квадрупольного взаимодействия ядра с полем Е и энергией магнитного взаимодействия с полем H₀ говорят о квадрупольном расщеплении линий ЯМР или о зеемановском расщеплении в ЯКР.

Метод ЯКР применяется в ядерной физике для определения квадрупольных моментов ядер. Методом ЯКР исследуются также симметрия и строение кристаллов, степень упорядоченности макромолекул (См. Макромолекула) и характер химической связи. Исследования кристаллов основанных на связи между структурой кристаллов и значениями градиентов поля Е. Если в случае ЯМР структура кристаллов определяет только возмущения зеемановских уровней, приводящие к уширению и расщеплению линий, то в случае ЯКР структура кристалла определяет сами резонансные частоты. Для ЯКР характерна сильная зависимость ширины линий от наличия дефектов в кристалле. Измерение ширины линий позволяет исследовать внутренние напряжения, присутствие примесей и явления упорядочения в кристаллах.

Лит.: Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер, с англ., М., 1963; Гречишкин В. С., Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах, М., 1973; Семин Г. К., Бабушкина Т. А., Якобсон Г. Г., Применение ядерного квадрупольного резонанса в химии, Л., 1972.

ЯДЕРНЫЙ КВАДРУПОЛЬНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯКР) - резонансное поглощение радиоволн, обусловленное квантовыми переходами ядер между энергетическими состояниями с различной ориентацией электрического квадрупольного момента ядра. Используется для определения квадрупольных моментов ядер, симметрии и структуры кристаллов.

ЯДЕРНЫЙ КВАДРУПОЛЬНЫЙ РЕЗОНАНС

(ЯКР), резонансное поглощение эл.-магн. энергии в кристаллах, обусловленное квант. переходами между энергетич. уровнями, образующимися в результате вз-ствия ядер, обладающих электрич. квадрупольным Моментом, с енутрикристаллическим полем. ЯКР — частный случай ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в кристаллах. Т. н. «чистый» ЯКР наблюдается в отсутствие постоянного магн. поля. Вз-ствие квадрупольного момента ядра с неоднородным внутр. электрич. полем E кристалла приводит к появлению энергетич. состояний, соответствующих разл. ориентациям яд. спина I относительно кристаллографич, осей. Радиочастотное магн. поле вызывает вынужденные магн. дипольные переходы между этими состояниями, что обнаруживается как резонансное поглощение эл.-магн. энергии. Т. к. энергия квадрупольного вз-ствия изменяется в широких пределах в зависимости от св-в ядра и структуры кристалла, то частоты ЯКР лежат в диапазоне от сотен кГц до тысяч МГц.

При исследовании ЯКР измерения в отсутствие постоянного магн. поля Н дополняются измерениями в поле Н. В зависимости от соотношения между энергией квадрупольного вз-ствия ядра с полем E и энергией магн. вз-ствия с полем Н говорят о квадрупольном расщеплении линий ЯМР или о зеемановском расщеплении линий ЯКР.

Метод ЯКР применяется для определения квадрупольных моментов ядер, исследования симметрии и строения кристаллов, степени упорядоченности макромолекул и характера хим. связи. Если в случае ЯМР структура кристаллов определяет только уширение и расщепление линий, то в случае ЯКР структура кристалла определяет сами резонансные частоты. Для ЯКР характерна сильная зависимость ширины линий от количества дефектов в кристалле. Измерение ширины линий позволяет исследовать внутр. напряжения, присутствие примесей и явления упорядочения в кристаллах.

ЯДЕРНЫЙ КВАДРУПОЛЬНЫЙ РЕЗОНАНС

(ЯКР) - резонансное поглощение радиоволн атомными ядрами, уровни к-рых, вырожденные по спину, расщеплены вследствие взаимодействия электрич. квадрупольного момента ядра с градиентами электрич. внутрикристаллического поля. Т. н. чистый ЯКР наблюдается, в отличие от ядерного магн. резонанса (ЯМР), в отсутствие магн. поля. Взаимодействие квадрупольного момента ядра eQ снеоднородным кристаллич. полем E _кр приводит к появлению уровней энергии ядра, соответствующих разл. ориентациям его спина I относительно оси симметрии oz кристаллич. поля [1 ].

Система уровней квадрупольного взаимодействия ядер определяется гамильтонианом:

Здесь -проекция спина ядра на ось oz, определяемая квантовым числом т;j _хх, j_yy, j_zz - вторые производные потенциала j электрич. кристаллич. поля по координатам x; у, z, удовлетворяющие ур-нию Лапласа (j_xx+j_yy + j_zz = = 0). Это позволяет характеризовать поле 2 переменными: градиентом вдоль oz eq=j_zz и параметром асимметрии h = (j_xx-j_yy)/j_zz. Для аксиально-симметричного поля энергия уровней определяется ф-лой

Переходы между уровнями вызываются перем. магн. полем, перпендикулярным oz, с частотами, к-рые определяются значениями и правилами отбора| Dm| = 1. Если поле не является аксиально-симметричным, спектры ЯКР имеют более сложный вид.

Применения ЯКР в исследовании кристаллов, в частности полупроводников, основаны на связи между структурой кристаллов и значениями градиентов кристаллич. поля. При этом структура кристалла определяет непосредственно резонансные частоты ЯКР (в отличие от ядерного магнитного резонанса). Значения j _хх,j_yy, j_zz, характеризующие неоднородность электрич. поля, зависят от симметрии окружения. В случае кубич. симметрии окружения ядра квадрупольное взаимодействие отсутствует. В общем случае j _хх,j_yy, j_zz определяются зарядами всех электронов и ядер, окружающих ядра, на к-рых наблюдается ЯКР. Т. к. вторые производные зависят от расстояния r как r^-3, то осн. вклад вносят электроны атомов, содержащих исследуемые ядра. Т. о., величина квадрупольного взаимодействия, т. е. спектр ЯКР, зависит от распределения электронной плотности. Это позволяет изучать природу хим. связи в кристаллах.

Важную роль ЯКР играет при исследовании структурных фазовых переходов второго рода, когда при темп-ре перехода Т _с возникает связанный с изменением параметра порядка дополнит. вклад в градиенты поля Е. Это приводит к изменению температурной зависимости частот ЯКР при Т= Т _с и служит одним из наиб. точных методов определения Т _с. Кроме того, исследование температурной зависимости частот ЯКР в окрестности Т= Т _с позволяет определить температурную зависимость параметра порядка [1, 2].

Особую роль ЯКР играет при исследовании т. н. несоизмеримых фаз, где линии ЯКР обладают характерной формой со "всплесками" интенсивности поглощения, отражающей существование в кристалле неоднородного состояния [3]. "Всплески" интенсивности соответствуют вкладу тех ядер, к-рые находятся в области экстремумов поля смещений несоизмеримой волны при линейной зависимости частоты ЯКР от параметра порядка, а также экстремумам и нулевым значениям поля смещений несоизмеримой волны при квадратичной зависимости частоты ЯКР от параметра порядка. Характерная форма линии ЯКР позволяет идентифицировать несоизмеримые фазы в кристаллах и определять температурные границы их существования. Др. метод идентификации несоизмеримых фаз - исследование ядерной квадрупольной спин-решёточной релаксации. В области существования несоизмеримых фаз ядерная и квадрупольная спин-решёточная релаксация убыстряется. Импульсное возбуждение ЯКР и методы квадрупольного т. н. спинового эха позволяют расширить возможности изучения электрич. и магн. локальных полей в кристаллах, а также наблюдать сигналы и в неупорядоченных системах [4].

ЯКР является одним из осн. методов изучения внутр. движений в кристаллах, т. к. подвижность атомов влияет как на частоту и форму линий ЯКР, так и на время ядерной квадрупольной спин-решёточной релаксации.

Дефекты кристаллич. решётки приводят к уширению линий ЯКР и их сдвигу, а также к изменению времени ядерной квадрупольной релаксации. ЯКР используется и как чувствительный метод обнаружения радиационных дефектов. ЯКР может реализоваться также не только в результате поглощения радиочастотного эл.-магн. поля, но и при резонансном поглощении УЗ, к-рый модулирует ядерные квадрупольные взаимодействия. Исследования ядерного акустич. квадрупольного резонанса позволяют получать информацию о ядерном квадрупольном спин-решёточном взаимодействии [5].

Лит.:1) Гречишкин В. С., Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах, М., 1973; 2) Блинц Р., Жекш Б., Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики, пер. с англ., М., 1975; 3) Blinc R. [е. a.], NMR lineshape and phase solution effects in incommensurate Rb₂ZnCl₄, "J. Phys. C: Solid State Phys.", 1982, v. 15, № 1, p. 547; 4) Алексеева 3. М., [и др.], Комплексные исследования несоразмерных фаз в кристаллах прустита и пираргирита, "Изв. АН СССР, сер. физ.", 1987, т. 51, № 12, с. 2166; 5) Кессель А. Р., Ядерный акустический резонанс, М., 1969. В. С. Вихнин.