ядерный квадрупольный резонанс

ЯДЕРНЫЙ КВАДРУПОЛЬНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯКР)

явление резонансного поглощения или излучения радиочастотной электромагн. энергии веществом, обусловленное зависимостью части энергии электрич. электронно-ядерных взаимод. от взаимной ориентации сферически несимметричных распределений зарядов атомного ядра и электронных оболочек.

В силу квантовомех. причин изменение ориентации атомного ядра относительно окружающих его электронов и зарядов имеет дискретный характер, что вызывает появление системы уровней энергии, между которыми возможны переходы с частотой v_Q. Стимулирование переходов v_Q при наблюдении ЯКР происходит при наложении на образец переменных электрич. или магн. полей. Мерой отклонения зарядового распределения атомного ядра от сферич. симметрии является его электрич. квадрупольный момент eQ (ядерная константа). Неоднородность электрич. поля, создаваемого электронами атомов и молекул в месте расположения атомного ядра, определяется тензором градиента напряженности электрич. поля (ГЭП) eq_ij. Из экспериментально наблюдаемых спектров ЯКР можно определить константу ядерного квадрупольного взаимодействия e²Qq_zz (e — элементарный электрич. заряд) и параметр асимметрии= | (q_xx — q_yy)/q_zz, где | q_zz | Q>| > | q_yy || q_xx |. Направление оси z совпадает с направлением оси квантования ориентации атомного ядра.

Сведения о e²Qq_zzм. б. получены из данных ЭПР, ЯМР мёссбауэровской спектроскопии, а также микроволновой и оптич. спектроскопии. Наиб. точные измерения производятся с помощью спектроскопии ЯКР в отсутствие внеш. постоянных электрич. и магн. полей в твердых телах (кристаллы, стекла, аморфные твердые тела, включая полимеры). Все изменения ГЭП происходят за счет электрич. вкладов, основными по величине из которых являются вклад валентных электронов и поляризация замкнутых оболочек атомного остова; вклад, меньший и сильно зависящий от природы внутри- и межмол. взаимод., вносят заряды, расположенные за пределами атомного радиуса.

Эксперименты с наложением внеш. постоянного магн. поля позволяют найти и направление макс. компоненты ГЭП (e²Qq_zz), т. е. направление оси квантования, совпадающее с направлением оси простой хим. связи. Возможно также решение обратной задачи: по зеемановским расщеплениям в спектрах ЯКР определить величину и направление локального магн. поля.

Сопоставление e²Qq_zzи в ряду однотипных соед. дает возможность определить особенности относит. электронно-ядерных движений при межконфигурационных переходах.

Наложение внеш. постоянного электрич. поля напряженности E_z позволяет определить полевые постоянные частот ЯКР дv_Q /дE_z , пропорциональные атомной поляризуемости. Сопоставление v_Q и дv_Q/дE_zв рядах однотипных соед. позволяет найти значения напряженности электрич. полей.

Основные спектральные параметры ЯКР: частота v_Q, ширина линии времена квадрупольной спин-решеточной (Т₁) и спин-спиновой релаксации (Т₂). Диапазон наблюдаемых изменений v_Qдля разл. элементов и типов связи 0,1–1000 МГц. Диапазон изменений для мол. кристаллов и аморфных тел с ван-дер-ваальсовыми межмол. взаимод. — 0,001–2% от v_Q , что обусловлено статистич. разбросом ГЭП и свидетельствует о степени структурной упорядоченности вещества. Диапазоны изменений времени релаксации — от неск. микросекунд до секунд (Т₂) и часов (Т₁) в зависимости от температуры и характера тепловых движений молекул и их фрагментов.

ЯКР используют для изучения внутри- и межмол. взаимодействий. Исследование закономерностей взаимного влияния атомов в соед. переходных и непереходных элементов дает сведения о пространств, структуре молекул, их электронном строении, распределении внутримол. электрич. полей и связи этих характеристик с реакционной способностью. При исследовании межмол. взаимод. получают сведения о распределении электростатич. полей в кристаллах, неупорядоченных твердых телах и твердых растворах. Изучение твердых растворов дает сведения о закономерностях распределения примесей, симметрии их расположения и природе межмол. взаимодействий. ЯКР позволяет изучать природу внутри- и межмол. координации, включая закономерности комплексообразования. По спектрам ЯКР полимеров получают сведения о взаимном расположении атомов в макромолекуле, их упорядоченности и подвижности. ЯКР используют для изучения сегнетоэлектриков, ферромагнетиков, сверхпроводников, полупроводников и т. п.

^{Лит.: Семин Г. К. Бабушкина Т.А., Якобсон Г. Г., Применение ядерного квадрупольного резонанса в химии, Л., 1972; Гречишкин B. C., Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах, М., 1973; Сафин И. А., Осокин Д.Я., Ядерный квадрупольный резонанс в соединениях азота, М., 1977.}

_{Г. К. Семин}