Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Experimentální metody fyziky kondenzovaných soustav I Jaderné metody studia kondenzovaných látek - přehled. Jaderná magnetická a kvadrupólová rezonance.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Experimentální metody fyziky kondenzovaných soustav I Jaderné metody studia kondenzovaných látek - přehled. Jaderná magnetická a kvadrupólová rezonance."— Transkript prezentace:

1 Experimentální metody fyziky kondenzovaných soustav I Jaderné metody studia kondenzovaných látek - přehled. Jaderná magnetická a kvadrupólová rezonance v kondenzovaných látkách. Jaderná magnetická rezonance vysokého rozlišení. Hyperjemné interakce – původ, projevy. Využití jaderných metod pro studium atomové, elektronové a magnetické struktury, příklady aplikací. V přednášce by studenti měli slyšet něco obecnějšího o skupině metod – např. takto Historie – velmi stručně Princip Schema experimentu Varianty metod Přehled užití Příklady aplikací Případně výhody a nevýhody

2 Experimentální metody fyziky kondenzovaných soustav I Jaderné metody studia kondenzovaných látek o Jaderná magnetická rezonance NMR Jaderná kvadrupólová rezonance NQR Jaderná orientace NO, NMR/ON Mionová spinová rotace/rezonance/relaxace (μSR) o Mössbauerův jev (rezonanční γ spektroskopie) Porušené úhlové korelace (PAC) o Pozitronová anihilace Neutronová difrakce

3 Jaderné metody studia kondenzovaných látek o Jaderná magnetická rezonance NMR Jaderná kvadrupólová rezonance NQR N N (nukleární, studujeme látky prostřednictvím jader atomů) M M (magnetická, studujeme chování jader atomů v magnetickém poli) R R (rezonance = velká odezva na malý podnět, je-li splněna rezonanční podmínka; spektroskopická metoda) Co je potřeba? Jádra mající nenulový magnetický dipolární moment Statické magnetické pole Radiofrekvenční magnetické pole Zařazení mezi spektroskopické metody: frekvence MHz-GHz Otázka: odhadněte energii hν (eV) pro ν = 500 MHz, porovnejte s energií kvanta pro viditelné světlo

4 Jaderná magnetická rezonance Fázový přechod v SrTiO3 Pod 100K přechází z kubické do tetragonální symetrie B.Zalar et al.,Phys.Rev.B71, ,2005 V.V.Laguta et al.,Phys.Rev.B72, E.V. Blackburn, Chem 161AS/163B4 course, 2003 Analýza chemické struktury Určování prostorové struktury biomolekul BPTI (Bovine Pancreatic Trypsin Inhibitor) K. Wutrich, Nobel Lecture, 2002 Zobrazování jadernou magnetickou rezonancí (MRI) Funkční MRI mozková centra aktivní při vizuálním vjemu Radiol.Soc. North Am.., 2006 ; Wikipedia 2006

5 Jaderná magnetická rezonance Historie- stručně Stern-Gerlachův experiment I.I.Rabi – NMR na molekulárních svazcích 40. léta - NMR v kondenzované fázi, kontinuální (CW) spektrometry Bloch F. et al. - 1 H ve vodě Purcell E.M. et al. - 1 H v parafinu 50. léta-Hahn E.L.- pulsní NMR 70., 80.léta - komerční pulsní spektrometry FT NMR Ernst R.R., Anderson A. MR imaging 2D spektroskopie - Jeener J., Ernst R.R. Dnešní spektrometry NMR (pulsní, FT, koherentní): magnetické pole supravodivých cívek až ~ 20T, homogenní, stabilní Cena ~ 10 7 Kč

6 Jaderná magnetická rezonance Historie- stručně Nobelovy ceny: Isador I. Rabi (1944) - fyzika Felix Bloch a Edward M. Purcell (1952) - fyzika R. Ernst (1991) - chemie Kurt Wűthrich (2002) - chemie Paul C. Lauterbur a Peter Mansfield (2003) - lékařství Fyzika Chemie Biochemie Medicína Obory využívající metod NMR:  lokální metoda  struktura, chemická analýza  dynamika, difuze

7 Elektrické a magnetické momenty atomových jader, interakce ve vnějších polích Vlastní moment hybnosti jádra daného izotopu = jaderný spin I (Efektivní) magnetický dipólový moment jádra  (orbitální + spinový moment nukleonu) Jaderný spin (redukovaný) je určen kvantovým číslem I … celočíselný násobek ½ (i nula); tabelováno (pro základní stav jádra, pro excitované stavy) Gyromagnetický poměr  (   faktor) – tabelováno včetně znaménka Definuje se (analogicky  B ) jaderný magneton  N Lze definovat g-faktor:

8 I Proton ½ 2,793 Neutron ½ -1,913 NMR, NQR … jaderný spin I a gyromagnetický poměr  v základním stavu jádra (pro daný izotop) Několik systematických závislostí: (1) hmotnostní číslo M liché  poločíselný spin (2) hmotn. číslo M sudé + počet protonů A sudý  nulový spin nulový magn. moment - nepoužitelné v NMR (např. ) (3) hmot.číslo M sudé + počet protonů A lichý  celočíselný spin Skoro každý prvek má nějaký stabilní isotop s nenulovým spinem. (Výjimky: Ar, Tc, Ce, Pm) Elektrické a magnetické momenty atomových jader, interakce ve vnějších polích

9 Elektrické a magnetické momenty atomových jader, interakce ve vnějších polích Příklady IzotopI   10 8 T -1 s -1  I /  N výskyt  %  1H1H1/22,682,7999,98 2HD2HD 10,410,860,02 13 C1/20,670,701,11 14 N10,190,4099,64 15 N1/2-0,27-0,280,36 17 O5/2-0,36-1,890,04 19 F1/22,522,63100,00 23 Na3/20,71 doplňte 100,00 31 P1/21,081,13100, Cd1/20,590,6212,26 Otázka: Jaké atomové jádro z uvedených příkladů má největší magnetický moment?

10 Gyromagnetická částice (atomové jádro s nenulovým spinem) Konstantní (statické) magnetické pole B 0 || z energie dipólu v magn. poli Zeemanovské štěpení na 2I +1 ekvidistantních hladin Gyromagnetická částice (I=1/2) ve vnějším magnetickém poli Radiofrekvenční pole (mnohem slabší než B 0 ) Larmorova frekvence indukuje rezonanční přechody, je-li  rf =  B 0 Larmorova frekvence I z = -1/ 2 (pro  > 0) I z = 1/2  E =   B 0 E I = 1/2 B 0 = 0 B 0  0

11 Gyromagnetická částice (I=1/2) ve vnějším magnetickém poli Klasický popis  torzní moment  pohybová rovnice  ve statickém magnetickém poli B 0 : Larmorova precese magnetického momentu B0B0 

12 Gyromagnetická částice (I=1/2) ve vnějším magnetickém poli

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22 Pohybová rovnice pro kvantově mechanickou střední hodnotu Pro hamiltonián pak (použity komutační relace pro složky spinu) Podobně pro ostatní složky. Tedy; Rovnice je shodná s klasickou pohybovou rovnicí pro gyromagnetickou částici ve vnějším poli. Výsledek opravňuje použít pro popis magnetizace souboru vzájemně neinteragujících (slabě interagujících) gyromagnetických částic klasické pohybové rovnice. Gyromagnetická částice (I=1/2) ve vnějším magnetickém poli

23 Jaderná magnetizace Populace Zeemanovských hladin v poli B 0 || z Při vyrovnaných populacích (nulová jaderná magnetizace) – indukovaná absorpce i emise stejné - nic bychom nepozorovali! Tepelná rovnováha s rezervoárem ‘mřížkou’ Tepelná rovnováha s rezervoárem ‘mřížkou’ (Boltzmanův faktor)... nenulová jaderná magnetizace Populační rozdíl je malý. exp(-E +1/2 /kT)/exp(-E -1/2 /kT) = exp(-   B 0 /kT) ~ 1 -   B 0 /kT V tepelné rovnováze m = m 0 || B 0 m 0 ~ N  2 I (I+1) B 0 / 3 k T (jaderný paramagnetismus) Úkol: Odhadněte číselně pro 300K, rez. frekvenci 500 MHz. Soubor slabě interagujících gyromagnetických částic (jader)

24 Spin - mřížková relaxace změna podélné složky magnetizace… T 1 Spin - spinová relaxace změna příčné složky magnetizace … T 2 t mzmz t mm m B0B0 mzmz mm m B0B0 Je-li m vychýlena... torzní moment působícího pole návrat k rovnováze... relaxace

25 Soubor slabě interagujících gyromagnetických částic (jader) Blochovy rovnice = fenomenologický popis chování jaderné magnetizace

26 Soubor slabě interagujících gyromagnetických částic (jader) Interakce s externím radiofrekvenčním polem působícím po krátkou dobu (pulz) rf pole kolmé na m - torzní moment stáčející m do xy Kruhově polarizované rf magnetické pole frekvence blízká Larmorově + správný smysl otáčení  může účinně měnit úhel magnetizace m vůči statickému poli Rezonance - velký účinek slabého rf pole na změnu směru magnetizace m B1B1 B0B0 m B1B1 B0B0

27 Soubor slabě interagujících gyromagnetických částic (jader) Pulsní experimenty NMR  B ext  B 1 (  rf ) t B1B1

28 Signál volné precese (FID) (FID = free induction decay) Předp. ideálně homogenní vnější pole B 0 ||z, B 1  z,  rf   0 =  B 0 y z x mm 00 FIDSPEKTRUM FOURIEROVA TRANSFORMACE

29 Distribuce Larmorových frekvencí Př. neekvivalentní místa molekuly,  01 <  02 <  03 FOURIEROVA TRANSFORMACE y z x  02  01  03 FIDSPEKTRUM Signál volné precese (FID)

30 Blokové schéma pulního spektrometru

31 B externí B lokální Rezonující jádro = sonda citlivá na lokální magnetické pole NMR = lokální metoda Jak okolí daného jádra ovlivňuje rezonanční frekvenci NMR?

32 Jak okolí daného jádra ovlivňuje rezonanční frekvenci NMR? Magnetické interakce jader s elektrony a ostatními jádry s nenulovým magnetickým momentem přímá jaderná dipól-dipólová interakce vzájemné působení dvou jaderných magnetických dipólů interakce s elektrony (vlastního obalu, v chemických vazbách, vodivostními...) elektron - pohybující se částice s elektrickým nábojem a magnetickým dipolovým momentem nepřímá jaderná spin-spinová interakce nepřímo = prostřednictvím elektronů v chemických vazbách Elektrická kvadrupólová interakce (jádro v elektrickém poli elektronů a ostatních jader)

33 Magnetické interakce jader s elektrony Diamagnetika Diamagnetika – účinky elektronů v chemických vazbách se do značné míry vzájemně kompenzují, výsledný vliv je velmi slabý. K měření je nutné velmi homogenní a stabilní pole (až ). Spektroskopie vysokého rozlišení v kapalinách a v pevných látkách. Látky se spontánní magnetizací Látky se spontánní magnetizací – vliv elektronů je vysoký, i řádově převyšující externí pole (které pak ani není nutné) Paramagnetika, kovy Paramagnetika, kovy – střední vliv


Stáhnout ppt "Experimentální metody fyziky kondenzovaných soustav I Jaderné metody studia kondenzovaných látek - přehled. Jaderná magnetická a kvadrupólová rezonance."

Podobné prezentace


Reklamy Google