原子核磁现象.doc

原子核磁現象 Jacky_Su原子核磁現象原子核磁現象微觀世界雖然是我們的肉眼看不見的，但卻可以應用多種科學方法和高新技術瞭解其存在、認識其特性，有的還得到重要的應用。這裏介紹若干重要的原子核現象及其應用。首先介紹原子核磁共振及其一些重要的應用。核磁共振與物質結構研究磁共振是物質中的磁矩系統在互相垂直的恒定磁場(又稱直流磁場)和高頻或微波磁場的同時作用下，當恒定磁場的強度和高頻或微磁場的頻率滿足一定的條件時，這一磁矩系統對高頻或微波産生的強烈的電磁能量吸收現象，原子核磁矩系統産生的磁共振稱爲核磁共振，電子磁矩系統産生的磁共振稱爲電子自旋磁共振。根據這一電子系統産生的磁性，如順磁性、鐵磁性等，又分爲順磁共振、鐵磁共振等。又一類磁共振是物質中的遊動電子的電荷系統在互相垂直的恒定磁場和高頻或微波電場的共同作用下，當恒定磁場的強度和高頻或微波電場的頻率滿足一定的條件時，這一遊動電子的電荷系統對高頻和微波産生強烈的電磁能量吸收現象，稱爲迴旋共振。因爲這一現象同物質的抗磁性相關，故也稱抗磁共振。運動的電荷還可能是物質中的離子所産生，稱爲離子迴旋共振。圖1、核磁共振譜儀在這些磁共振中，目前應用最多的是核磁共振。這是因爲在92種天然化學元素中，有80多種化學元素的原子核具有磁矩(簡稱核磁矩)，可以在一定條件下産生核磁共振，因此可以利用核磁共振方法來研究許多物質的核磁共振。又因爲核磁共振的解析度很高，又可以利用一些新技術(如電子電腦技術等)來提高靈敏度，故在物理學、化學、生物學、地質學、醫學和工農業分析等中得到重要的應用。圖1示出一台測量核磁共振的核磁共振譜儀設備，圖2示出利用核磁共振譜儀測得的乙醇(酒精)(C2H5OH)的氫(原子)核的核磁共振譜。從這核磁共振譜可以看出，共振譜中的3條譜線的強度比爲3：2：1，這正好反映乙醇中3種原子團CH3，CH2和OH中的氫原子含量的濃度比例。核磁共振研究的化學元素多、分辯率高和靈敏度高的這些特點可以得到所研究物質的很多結構和特性等方面的資訊。這在研究複雜的生物大分子甚至生物活體時更有其優點，是其他科學方法難以得到的。例如核糖核酸(RNA)、脫氧核糖核酸(DNA)和多種蛋白質的核磁共振研究便解決了許多結構上和其他方面的問題。圖2、酒精的氫原子核的核磁共振譜穆斯堡爾效應與磁結構研究前面介紹各種磁性材料時，曾講到其強磁性的來源是由於構成磁性材料的原子磁矩有一定規律的排列，稱爲磁有序。而且在磁性材料中從實驗上和從理論上都表明和論證了有多種多樣的磁有序，稱爲磁結構。但是怎樣確定磁性材料中原子磁矩的微觀結構呢？這裏需要說明，原子磁矩實際上是原子中許多電子的總和磁矩，而沒有考慮原子中的原子核磁矩。這是因爲一般說來如電子和原子核等微觀粒子，其質量越大，其表徵磁性強弱的磁矩就越小。原子核的質量比電子質量約高2千倍或更高，所以原子核的磁矩就只有電子磁矩的大約2千分之一或更低。故一般講到原子磁性時便忽略原子核的磁性，而只講電子的磁性，因而把原子中的電子的總和磁矩稱爲原子磁矩。什麽是穆斯堡爾效應？穆斯堡爾效應是指具有穆斯堡爾效應的原子核(稱爲穆斯堡爾核)中的低能級(稱爲基態能級)與較高能級(稱爲激發態能級)之間的躍遷變化。這些能級中包含有與穆斯堡爾核的磁性有關的能級(稱爲磁能級)及磁能級之間的躍遷。一般對磁性物質(材料)穆斯堡爾效應的研究主要便是對穆斯堡爾(原子)核的磁能級之間的躍遷。從原子核的磁能級之間的躍遷看，核磁共振同穆斯堡爾效應是相似的。但是核磁共振是在原子核的基態磁能級之間躍遷。基態磁能級之間能量相差較小，故同能量成正比的核磁共振頻率較低，一般在射電頻率(高頻)和微波的範圍。但是穆斯堡爾效應卻是在穆斯堡爾(原子)核的基態磁能級與激發態磁能級之間的共振躍遷，因爲基態磁能級與激發態磁能級之間的能量相差很大，故同能量成正比的穆斯堡爾效應頻率便很高，一般在射線的範圍，故也稱(原子)核共振。在利用穆斯堡爾效應研究磁性物質(材料)時，便可從磁性物質(材料)的穆斯堡爾譜來分析其磁結構。圖3是石榴石型釔鐵氧體(Y3Fe5O12，簡寫爲YIG)中57Fe穆斯堡爾(原子)核在室溫下的穆斯堡爾譜。一般磁有序物質穆斯堡爾譜爲6條吸收線譜線，譜線的強度和距離同磁有序的情況有關。圖中譜線的分裂顯示磁有序物質中出現不同磁有序的磁亞點陣，結合其他方面的研究，可知這一鐵氧體中的Fe離子以2:3的比例分佈於8面體(a)和4面體(b)的磁亞點陣中。從這個例子可以看出，從原子核的穆斯堡爾效應的研究中可以得到磁有序物質(材料)的許多磁性和磁結構的重要資訊。但是，還需要指出的是，目前已經觀測到具有原子核穆斯堡爾效應的化學元素只有40多種，約爲可進行核磁共振研究的化學元素的一半，而且只有Fe原子核的穆斯堡爾效應可以在室溫下觀測，其他大多數則需要在低溫下觀測。另外，從原子核的穆斯堡爾效應不僅可以得到磁性材料的磁結構等資訊，而且還可以從其他穆斯堡爾參數如核電四極矩、核同質異能移位元等得到磁性物質(材料)和其他許多物質(材料)的結構和性能等資訊。這裏只著重介紹了穆斯堡爾效應在磁學和磁性材料方面的特點和應用。圖3、石榴石型釔鐵氧體的穆斯堡爾譜(a-8面體晶位 d-4面體晶位)核磁致冷創造最低溫度記錄在現代生活中，利用致冷(也稱製冷)的冰箱已成爲重要的家用電器。但是目前常用的冰箱製冷劑中含有不利於環境保護、破壞高空臭氧層的氟(F)和氯(Cl)，因而促進了多種致冷方法技術的研究。磁致冷技術便是其中很受重視的致冷技術，例如,正在研究的利用稀土金屬釓(Gd)及其合金在其鐵磁-順磁臨界溫度區域的磁-熱效應的致冷。又例如，已經利用錳(Mn)系和鉻(Cr)系硫酸鹽等順磁(性)鹽類的順磁絕熱退磁效應在超低溫度區域將溫度降低到約百分之一(10-2)開(K)，是當前超低溫度區域較常用的一種致冷技術。什麽是磁絕熱退磁致冷技術？簡單說來就是把在大約1開(K)的起始溫度的順磁鹽放在外加強的磁場中磁化，所放出的磁化熱傳到順磁鹽周圍環境中，溫度保持不變。然後把順磁鹽同周圍環境隔離，處於絕熱狀態，再去掉或劇減外加磁場，順磁鹽轉變爲退磁狀態，原子磁矩從磁有序轉變爲磁無序，這就需要吸收能量，但是已處於絕熱狀態的順磁鹽不能從周圍環境吸取能量，便只有從順磁鹽自己的原子運動中吸取能量，這樣就使順磁鹽的分子運動減弱而使溫度降低。這種磁絕熱退磁過程進行多次便可使順磁鹽溫度降低到一定的程度。一般說來，利用順磁鹽的絕熱退磁方法可以使順磁鹽溫度降低到約百分之一(10-2)開(K)，即約10毫開(mK)，也可稱爲毫開(mK)範圍或毫開(mK)量級。利用同樣的絕熱退磁方法可以使一定物質的原子核磁矩系統的溫度降低。例如利用銅(Cu)原子核絕熱退磁方法可以銅(Cu)原子核系統溫度降低到約百萬分之一開(K)，即約1微開(K)或更低。目前利用(Cu)原子核絕熱退磁方法達到的最低溫度爲十億分之二開(K)，即約2納開(nK)，這是目前所知達到的最低溫度。我國的訪問學者殷實也參加了這一項研究工作。圖4中爲一個兩級原子核絕熱退磁裝置的主要結構示意圖。兩級分別利用PrNi5合金中鐠(Pr)原子核和(Cu)原子核絕熱退磁致冷效應，最低溫度達到約100萬分之27開(K)，即約27微開(K)。這裏需要注意的是，利用原子核磁矩系統的絕熱退磁致冷方法所達到的最低溫度是指原子核磁矩系統的溫度，並不是含這一原子核的物質的溫度；根據熱力學定律，絕對溫度的0開(K)是不可能達到的，但可以接近0開(K)。圖4、二級絕熱退磁極低溫裝置示意圖核鐵磁性和核反鐵磁性我們在前面介紹各種物質的磁性時，曾講到研究和應用最多的是原子磁矩形成有序排列的鐵磁性和反鐵磁性等材料。原子磁矩是原子中多個電子的總合磁矩，原子磁矩的有序排列是由相鄰原子磁矩(自旋)間的相互作用，主要是具有量子力學特點的自旋間的交換作用産生的。那麽原子核磁矩是否也會形成有序排列而産生原子核鐵磁性和核反鐵磁性等？經過實驗觀測和理論研究，特別是由於高新技術的發展和應用，已經從實驗和理論兩方面證實了原子核鐵磁性(簡稱核鐵磁性)和原子核反鐵磁性(簡稱核反鐵磁性)的存在及其特點。但是，從實驗中觀測到原子核磁矩的有序排列是很不容易的。這一方面是由於原子核磁矩只有原子(電子)磁矩的千分之一或更低，其有序排列要克服熱擾動的影響和破壞，就必須在很低的溫度下才能實現原子核磁矩的有序排列，另一方面也是由於原子核磁矩很小，要從實驗中觀測到原子核磁矩的有序排列也是很不容易的。但是經過長期的和利用高新技術的實驗研究，還是觀測證實了許多物質中的原子核磁矩的有序排列。例如，在金屬銅(Cu)、LiH、CaF2、Ca(OH)2、PrNi5、PrCu5、PrCu2和PrCu6等化合物和合金中已經在極低溫度下觀測到其中的銅(Cu)、鋰(Li)、氫(H)、氟(F)、鐠(Pr)的原子核磁矩的互相平行排列的核鐵磁性，或原子核磁矩互相反平行排列的核反鐵磁性。圖5中示出是銅(Cu)原子核磁矩互相反平行排列的核反鐵磁性，這是由銅原子核磁矩之間的磁偶極相互作用産生的。進一步實驗和理論研究表明，銅(Cu)原子核磁矩在60納開(nk，10-9K)到300微開(K，10-6K)的極低溫度範圍內已經觀測到3種核反鐵磁性有序磁結構。另外，化學元素氦(He)有2種不同的同位素氦-4(4He)和氦-3(3He)，在自然界中氦4占絕大多數，其核磁矩和核自旋都爲零，氦-3只占約萬分之1.3(1.310-4)，但卻具有核磁矩和核自旋。在極低溫度範圍內和不同的高壓下，固態氦-3的原子核磁矩具有不同的有序排列的核磁結構。圖5、銅原子核的核反鐵磁性圖6中示出是高壓下的固態氦-3在較低磁場和較低溫度