Радиоспектроскопия на высоких и сверхвысоких частотах

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ)

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

На тему: Радиоспектроскопия.

 

 

 

ДИСЦИПЛИНА: «Физика»

                              

Составил:	Алланов Р.А.
	Гр. 3TЭС-115
Проверил:	Порохов В.А.
Дата:
Оценка:

 

 

                 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2014г.

РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ

 
       

Раздел физики, в рамках которого исследуются переходы между энергетическими уровнями квантовой системы, индуцированные электро-магнитным излучением радиодиапазона.

 

Многообразие резонансных явлений, вызванных этими переходами, обуславливает популярность методов Радиоспектроскопии. Возникнув в экспериментах с молекулярными и атомными пучками (метод Раби), методы Радиоспектроскопии в дальнейшем распространились на вещества в газообразном, жидком и твердом состояниях. Радиоспектроскопия отличается от оптической спектроскопии и инфракрасной спектроскопии специфическими особенностями:

а) благодаря малым частотам w и, следовательно, малым энергиям квантов ћw в Радиоспектроскопии исследуются квантовые переходы между близко расположенными уровнями энергии. Это делает возможным изучение таких взаимодействий в веществе, которые вызывают очень малые расщепления энергетические уровня, незаметные для оптической спектроскопии. В Радиоспектроскопии исследуются вращательные и инверсионные уровни; зеемановское расщепление уровней электронов и атомных ядер во внешних и внутренних магнитных полях; уровни, образованные взаимодействием квадрупольных моментов ядер с внутренними электрическими полями и взаимодействием электронов проводимости с внешней магнитудой. В магнитоупорядоченных средах наблюдается резонансное поглощение радиоволн, связанное с коллективным движением магнитных моментов электронов. Наблюдаемая ширина Dw обусловлена различными тонкими взаимодействиями в веществе. Анализ ширины и формы линий позволяет количественно их оценивать, причём ширина и форма линии в Р. может быть измерена с очень большой точностью.

б) Измерение длины волны l, характерное для оптической спектроскопии, в Радиоспектроскопии заменяется измерением частоты w, что осуществляется обычно радиотехническими методами с большой точностью. Это позволяет измерять тонкие детали спектров, связанные с малыми сдвигами уровней систем, участвующих в поглощении радиоволн.

 

Оптическая накачка и оптическая ориентация атомных систем расширили содержание Р., позволив применить методику магнитного резонанса к изучению основного и возбуждённых состояний атомов в газах при очень низких давлениях =10-6—10-3 мм рт. ст. (атомов, обладающих либо электронным, либо ядерным парамагнетизмом). Оптическая накачка обогатила Р. новыми явлениями связанными с различными проявлениями взаимодействия радиочастотных полей с веществом. Нелинейная Радиоспектроскопия исследует отклик атомной системы на воздействие сильного радиочастотного поля.

 

Методы измерений.

Исследуемое вещество помещают в радиочастотное поле, амплитуду которого измеряют при резонансе и без него. Разность амплитуд определяет коэффициент поглощения энергии в образце. Обычно используют стоячую волну в объёмном резонаторе (ЭПР, ЯМР, ЯКР и ЦР) или же бегущую волну в радиоволноводе. В случае резонатора образец помещают в пучность электрического поля при наблюдении электрических. переходов л в пучность магнитного поля, если наблюдаются магнитные переходы.

 

Применение.

Методами Радиоспектроскопии можно определять структуру твердых тел, жидкостей, молекул и квадрупольные моменты атомных ядер, симметрию поля окружения, валентность ионов, электрических и магнитных свойства атомов, молекул радикалов и другие Методы Радиоспектроскопия применяются для качества и количеств анализа веществ. В Радиоспектроскопия впервые наблюдалось вынужденное излучение, что привело к созданию квантовых генераторов и усилителей сначала в радио-, а затем в оптических диапазонах

 

Радиоспектроскопия- раздел физики, в к-ром изучаются спектры поглощения различных веществ в диапазоне радиоволн (на частотах электро-магнитных полей от 103 до 6·1011 Гц). В более широком смысле к Радиоспектроскопии относят также исследования резонансной дисперсии, релаксации, нелинейных явлений, индуцирования испускания и других явлений резонансного взаимодействия электро-магнитных и акустических полей указанного диапазона с квантовыми системами.

Резонансное поглощение в диапазоне радиоволн обусловлено индуцированными переходами между уровнями энергии  атомов, молекул, атомных ядер и пр., удовлетворяющими условию 

где v - частота радиоволны. Интервалы   между уровнями энергии, изучаемые в Р., обычно соответствуют диапазону СВЧ (109-3·1011 Гц), а в случае ЯМР и ЯКР - диапазону ВЧ (103-3·108 Гц). Столь малые интервалы, как правило, не удаётся разрешить в оптических и ИК-спектрах, их можно зарегистрировать только методами Радиоспектроскопии.

По сравнению с оптической спектроскопией н инфракрасной спектроскопией Радиоспектроскопия имеет ряд особенностей. В Радиоспектроскопии практически отсутствует аппаратурное уширение спектральных линий, поскольку в качестве источника радиоволн используют когерентные генераторы, а частоту v можно измерить с высокой точностью. Отсутствует и типичное для оптического диапазона радиационное уширение, т. к. вероятность спонтанного испускания, пропорциональная v3, в диапазоне радиоволны пренебрежимо мала. Из-за малой энергии hv на единицу мощности приходится большое число квантов, что практически устраняет квантовомеханическая неопределённость фазы радиочастотного поля, которое можно описывать классически. Всё это позволяет получать информацию о веществе из точных измерений формы резонансных линий, которая определяется в Радиоспектроскопия взаимодействием микрочастиц друг с другом, с тепловыми колебаниями матрицы и др. полями, а также их движением.

Ширина линий в Радиоспектроскопии меняется в очень широких пределах: от ~1 Гц для ЯМР в жидкостях до ~1010 Гц для ЭПР в концентрированных парамагнетиках, ферромагнетиках.

С др. стороны, из-за малой величины  уменьшается чувствительность методов Радиоспектроскопии. Интенсивность регистрируемых спектров определяется преобладанием поглощения эл.-магнитной энергии над её индуцированным испусканием, т. е. разностью населённостей Nj- Ni уровней энергии, между которыми происходят переходы. В условиях теплового равновесия при температуре Т эти населённости подчиняются Больцмана распределению, откуда для невырожденных уровней 

В оптической спектроскопии, как правило,   (заселён практически только нижний уровень); в Радиоспектроскопии, напротив, вплоть до Т~ 1 К выполняется неравенство  поэтому величина DN мала и обратно пропорциональна температуре.

Для получения спектров исследуемое вещество помещают в объёмный резонатор, волновод или ВЧ-кон-тур и в зависимости от типа резонансных переходов (магнитных или электрических) подвергают действию соответствующей компоненты электро-магнитные поля. Магнитные дипольные переходы характерны для всех видов магнитного резонанса, электрические переходы - для микроволновых спектров газов, параэлектрического резонанса и др. Экспериментальные. методы регистрации спектров в Радиоспектроскопии можно разделить на стационарные, импульсные и косвенные.

В стационарных методах образец непрерывно облучают достаточно слабым (не вызывающим когерентных эффектов) электро-магнитным полем, частоту которого медленно изменяют. При выполнении условия (1) часть энергии поля поглощается веществом, что регистрируют по соответствующему уменьшению амплитуды электро-магнитных. колебаний.

Зависимость коэффициента поглощения от частоты v и представляет собой стационарный спектр поглощения. Вместо изменения частоты в Радиоспектроскопии часто применяют эквивалентное изменение внешнего магнитного или электрического поля, влияющего на условие резонанса (1).

 

Мощность P электро-магнитного поля, поглощаемая веществом на частоте v, равна 

где DN определяется формулой (2), g(v) - плотность состояний на частоте перехода, определяющая форму и ширину линии поглощения, а величина Wij пропорциональна недиагональному матричному элементу оператора магн. (электрич.) дипольного момента частицы и амплитуде соответствующей компоненты радиочастотного поля.

Стационарное поглощение веществом мощности P. предполагает дальнейшую передачу энергии термостату, роль которого обычно выполняют степени свободы, связанные с тепловым движением (колебания кристаллической решётки, хаотичное движение молекул жидкости, кинетическая энергия электронов проводимости и пр.). Указанный процесс называют продольной релаксацией и характеризуют постоянной времени т 1. При росте мощности эл.-магн. поля до значений, обеспечивающих условие   продольная релаксация уже не успевает отводить в термостат поступающую энергию, происходит насыщение резонансного поглощения (DN : 0). Насыщение используют в Р. для измерения т 1 и получения информации о движении частиц, спин-фононных взаимодействиях и пр.

Импульсные методы получили распространение в ЯМР, ЯКР и отчасти в ЭПР. При этом вещество подвергается действию короткого мощного радиочастотного импульса, переводящего систему частиц в когерентное нестационарное квантовое состояние, являющееся суперпозицией состояний   и Возникающее при этом движение ансамбля частиц 

(в случае магнитного резонанса - когерентная прецессия спинов вокруг постоянного магнитного. поля) генерирует в датчике сигнал свободной индукции F(t). Взаимодействие частиц друг с другом и с различными полями приводит к потере когерентности и затуханию F(t )с характерным временем поперечной релаксации т 2. Функция F(t )содержит полную информацию о спектре поглощения и связана с ним преобразованием Фурье. Применение двух и более последовательных импульсов позволяет частично компенсировать потерю когерентности, что повышает чувствительность и разрешающую способность метода.

В косвенных методах резонансное поглощение радиочастотного поля регистрируют по изменению (обычно небольшому) некоторых макроскопических характеристик вещества. Ими могут быть, напряжение, интенсивность и поляризация оптической люминесценции, анизотропия g- и b-радиоактивного излучения, траектории молекулярных и атомных пучков в неоднородном внеш. поле (см. также Раби метод), температуpa образца, его способность к некоторым химическим реакциям и пр. К косвенным методам можно отнести также двойные резонансы, в которых поглощение квантов одной частоты регистрируют по отклику на другой частоте. Для расширения возможностей Р. используют многоквантовые и параметрические эффекты, акустические методы. В ВЧ-области диапазона радиоволн (частота выше 1011 Гц) Р. по своим методам и объектам исследования приближается к ИК-спектроскопии.

Радиоспектроскопию применяют в физике, химии, биологии, технике для получения детальной информации о внутренней структуре и атомно-молекулярной динамике твёрдых тел, жидкостей и газов, определения структуры молекул, измерения магнитных и электрических моментов микрочастиц, изучения их взаимодействий друг с другом и с различными внешними и внутренними полями. Методы Радиоспектроскопии используют также для качеств. и количеств. хим. анализа, контроля химических и биохимических реакций, определения структуры примесей и дефектов, измерения магнитных полей, температуры, давления, для неразрушающего контроля материалов и изделий. В Радиоспектроскопии было впервые получено индуцированное испускание, что привело к созданию квантовых генераторов и усилителей СВЧ-диапазона - квантовых стандартов частоты и чувствительных приёмников, а затем и лазеров. Один из видов двойного резонанса - динамическую поляризацию ядер - применяют при создании поляризованных ядерных мишеней. Радиоспектроскопию используют также в медицине для получения диагностических изображений внутренних органов.

Список используемой литературы: 

1) Таунс Ч., Шавлов А., Радиоспектроскопия, пер. с англ., М., 1959;

2) Инграм Д., Спектроскопия на высоких и сверхвысоких частотах, пер. с англ., М., 1959;

3) Альтшу-лер С. А., Козырев Б. М., Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп, 2 изд., М., 1972;

4) Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963;

5) Сликтер Ч., Основы теории магнитного резонанса, пер. с англ., 2 изд., М., 1981;

6) Лундин А. Г.,Федин Э. И., Ядерный магнитный резонанс. Основы и применения, Новосиб., 1980;