Избыток - ядро
Cтраница 2
Следовательно, вращающееся магнитное поле стремится уравнять спиновые состояния, тогда как взаимодействие ядер с решеткой противодействует этому. В результате совместного действия этих противоположных факторов первоначальный избыток ядер на нижнем энергетическом уровне уменьшается. Если амплитуда вращающегося магнитного поля невелика, то некоторый избыток ядер на нижнем энергетическом уровне все же сохраняется, и суммарное поглощение еще можно регистрировать. [16]
Из теории электромагнитного излучения следует, что вероятность перехода на высший уровень с поглощением энергии внешнего магнитного поля равна вероятности стимулированного полем перехода на низший уровень. Далее теория предсказывает, что вероятность спонтанного перехода из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией в области радиочастот ничтожна. Таким образом, если группа ядер существует в виде двух равнонаселенных спиновых состояний, то вероятности перехода на высший уровень ( поглощение энергии) и на низший ( испускание энергии) одинаковы. Именно этот, очень небольшой, хотя и конечный, избыток ядер на низшем спиновом уровне приводит к наблюдаемому поглощению энергии в радиочастотной области спектра. [17]
Из теории электромагнитного излучения следует, что вероятность перехода на высший уровень с поглощением энергии внешнего магнитного поля равна вероятности стимулированного полем перехода на низший уровень. Далее теория предсказывает, что вероятность спонтанного перехода из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией в области радиочастот ничтожна. Таким образом, если группа ядер существует в виде двух равнонаселенных спиновых состояний, то вероятности перехода i; i высший уровень ( поглощение энергии) и на низший ( испускание - / нергии) одинаковы. Именно этот, очень небольшой, хотя и конечный, избыток яд р на низшем спиновом уровне приводит к наблюдаемому поглощелию энергии в радиочастотной области спектра. При длительном поглощении радиочастотного излучения существовавший вначале на низшем уровне избыток ядер может уменьшиться. Соответственно уменьшится и интенсивность сигнала поглощения, который при определенных условиях может свестись к нулю. Такое явление называется насыщением; при этом населенности обоих спиновых уровней уравниваются. В отсутствие эффективного механизма, инициирующего переходы между ядерными уровнями энергии, время жизни ядра на верхнем или нижнем уровне было бы чрезвычайно большим. [18]
Из теории электромагнитного излучения следует, что вероятность перехода на высший уровень с поглощением энергии внешнего магнитного поля равна вероятности стимулированного полем перехода на низший уровень. Далее теория предсказывает, что вероятность спонтанного перехода из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией в области радиочастот ничтожна. Таким образом, если группа ядер существует в виде двух равнонаселенных спиновых состояний, то вероятности перехода на высший уровень ( поглощение энергии) и на низший ( испускание энергии) одинаковы. Именно этот, очень небольшой, хотя и конечный, избыток ядер на низшем спиновом уровне приводит к наблюдаемому поглощению энергии в радиочастотной области спектра. При длительном поглощении радиочастотного излучения существовавший вначале на низшем уровне избыток ядер может уменьшиться. Соответственно уменьшится и интенсивность сигнала поглощения, который при определенных условиях может свестись к нулю. Такое явление называется насыщением; при этом населенности обоих спиновых уровней уравниваются. В отсутствие эффективного механизма, инициирующего переходы между ядерными уровнями энергии, время жизни ядра на верхнем или нижнем уровне было бы чрезвычайно большим. [19]
Когда включают генератор радиочастоты, то из-за этого небольшого избытка сначала происходит более сильное поглощение, чем излучение; но поглощение уменьшает избыточную заселенность, поэтому число ядер в этих двух состояниях стремится стать одинаковым. К счастью, существуют неизлучательные переходы такого типа, при которых избыточная энергия ядер переходит в энергию поступательного движения сталкивающихся молекул. Любой механизм такого типа, который позволяет ядру отдать окружению избыточную энергию, носит название релаксационного процесса. Следовательно, в обычном эксперименте существует своего рода конкуренция. Поглощение радиочастоты стремится уравнять заселенность состояний, в то время как релаксация стремится сохранить избыток ядер в нижнем состоянии. Избыточная заселенность нижнего состояния, а потому и интенсивность поглощения зависят от того, как быстро достигается равновесие. [20]
 |
Схема энергетических уровней ядра со спином 3 / з в магнитном поле Я. [21] |
Яо, при определенных условиях ( см. ЭЛЛ) способен поглощать электромагнитную энергию, что соответствует переходам между соседними уровнями ядерных спинов. Поскольку вероятности перехода снизу вверх и сверху вниз одинаковы, а заполнение нижнего уровня больше, то наложенное поле HI стремится выравнять населенность верхнего и нижнего энергетических уровней ядерной спиновой системы. Момент выравнивания основного и возбужденного состояний называется насыщением. Однако существуют два механизма перехода ядер в состояние с более низкой энергией без испускания излучения. Эти механизмы принято обозначать как спин-спиновую и спин-решеточную релаксации. При спин-спиновой релаксации ядро одного атома, находящееся в возбужденном состоянии, передает часть своей энергии другому ядру. Энергия, отданная решетке, переводит ядро в нижнее энергетическое состояние. Таким образом, в то время как радиочастотное поле уменьшает избыток ядер, находящихся на нижнем энергетическом уровне, взаимодействие с решеткой восстанавливает этот избыток до его первоначальной величины. [22]
По мере того как энергия поглощается от радиочастотного сигнала, через конечный промежуток времени возбуждается достаточное число ядер, так что заселенность нижнего состояния становится равной заселенности верхнего состояния. Сначала можно обнаружить поглощение, но это поглощение будет постепенно исчезать по мере того, как заселенности основного и возбужденного состояний выравниваются. Когда такое состояние достигнуто, образец, как говорят, насыщен. Если прибор для ядерного магнитного резонанса работает исправно, насыщение обычно не обнаруживается, так как существуют пути, позволяющие ядрам вернуться в состояние с более низкой энергией без испускания излучения. Два механизма, с помощью которых ядро в возбужденном состоянии может вернуться в основное состояние, называются спин-спиновой релаксацией и спин-решеточной релаксацией. При спин-спиновой релаксации ядро одного атома в состоянии с высокой энергией передает часть своей энергии другому атому в состоянии с низкой энергией, и суммарного изменения числа ядер в возбужденном состоянии не происходит. Этот механизм не изменяет положения в данном случае, но важен для ряда явлений, которые будут рассмотрены ниже, и поэтому мы упоминаем о нем для полноты картины. Спин-решеточная релаксация включает перенос энергии к решетке. Термин решетка означает растворитель, электроны системы или другие типы атомов или ионов в системе, отличающиеся от исследуемых. Энергия, отданная решетке, превращается в энергию поступательного или вращательного движения, а ядро возвращается в нижнее состояние. Благодаря этому механизму всегда имеется избыток ядер в состоянии с низкой энергией и происходит результирующее поглощение энергии образцом от радиочастотного источника. [23]
Страницы: 1 2