Я вже говорив, що атомний парамагнетизм дуже слабкий і що ядерний магнетизм у тисячу разів слабший за нього. Але все ж за допомогою явища, званого «ядерним магнітним резонансом», спостерігати його відносно легко. Припустімо, що ми взяли таку речовину, як вода, в якої всі електронні спіни точно компенсують один одного, так що їхній повний магнітний момент дорівнює нулю. У таких молекул все ж залишиться дуже-дуже слабкий магнітний момент завдяки наявності магнітного моменту в ядер водню. Припустімо, що ми помістили невеликий зразок води в магнітне поле В. Оскільки спін протонів (що входять до атома водню) дорівнює 1/2, то в них можливі два енергетичні стани. Якщо вода перебуває в тепловій рівновазі, то протонів у нижньому енергетичному стані, моменти яких спрямовані паралельно полю, буде трохи більше. Тому кожна одиниця об'єму має дуже маленький магнітний момент. А оскільки протонний момент становить лише одну тисячну частку атомного моменту, то намагніченість, яка поводиться як μ2 [див. рівняння (35.22)], буде в мільйон разів слабшою за звичайну атомну парамагнітну намагніченість. (Ось чому ми маємо обирати матеріал, у якого відсутній атомний парамагнетизм.) Після того як ми підставимо всі величини, виявиться, що різниця між числом протонів зі спіном, спрямованим угору, і спіном, спрямованим униз, становить лише кілька одиниць на 108, так що ефект і справді дуже малий! Однак його можна спостерігати таким чином.
Припустімо, що ми помістили ампулу з водою всередину невеликої котушки, яка створює слабке горизонтальне осцилююче магнітне поле. Якщо це поле осцилює з частотою ωp, то воно спричинить переходи між двома енергетичними станами точно так само, як це було в дослідах Рабі, які ми описували в § 3. Коли протон «звалюється» з верхнього енергетичного стану на нижній, він віддає енергію μzB, яка, як ми бачили, дорівнює hωp. Якщо ж він переходить з нижнього стану на верхній, то буде відбирати енергію hωp у котушки. А оскільки в нижньому стані є трохи більше протонів, ніж у верхньому, то з котушки буде поглинатися енергія. І хоча ефект досить малий, за допомогою чутливого електронного підсилювача можна спостерігати навіть таке мале поглинання енергії.
Як і в експерименті Рабі з молекулярними пучками, поглинання енергії буде помітним лише тоді, коли осцилююче поле перебуває в резонансі, тобто коли
Припустімо, що ми помістили ампулу з водою всередину невеликої котушки, яка створює слабке горизонтальне осцилююче магнітне поле. Якщо це поле осцилює з частотою ωp, то воно спричинить переходи між двома енергетичними станами точно так само, як це було в дослідах Рабі, які ми описували в § 3. Коли протон «звалюється» з верхнього енергетичного стану на нижній, він віддає енергію μzB, яка, як ми бачили, дорівнює hωp. Якщо ж він переходить з нижнього стану на верхній, то буде відбирати енергію hωp у котушки. А оскільки в нижньому стані є трохи більше протонів, ніж у верхньому, то з котушки буде поглинатися енергія. І хоча ефект досить малий, за допомогою чутливого електронного підсилювача можна спостерігати навіть таке мале поглинання енергії.
Як і в експерименті Рабі з молекулярними пучками, поглинання енергії буде помітним лише тоді, коли осцилююче поле перебуває в резонансі, тобто коли
Зображення
Часто зручніше шукати резонанс, змінюючи B і залишаючи ω сталою. Очевидно, що поглинання енергії відбувається, коли
Зображення
Типова установка, яку застосовують при вивченні ядерного магнітного резонансу, показана на фіг. 35.8. Між полюсами великого електромагніту поміщено невелику котушку, яку живить високочастотний генератор. Навколо наконечників полюсів магнітів намотано дві допоміжні котушки, які живляться струмом із частотою 60 гц, так що магнітне поле трохи «коливається» навколо свого середнього значення. Для прикладу скажу вам, що струм головного магніту створює поле в 5000 гс, а допоміжні котушки змінюють його на ±1 гс. Якщо генератор налаштований на частоту 21,2 Мгц, то протонний резонанс відбуватиметься щоразу, коли поле проходить через 5000 гс [скористайтеся співвідношенням (34.13) для протона з величиною g = 5,58].Схема генератора влаштована так, що дає на виході додатковий сигнал, пропорційний зміні потужності, поглинутої з генератора, а цей сигнал подається після підсилення на вертикально відхиляючі пластини осцилографа. У горизонтальному напрямку промінь пробігає один раз за кожен період зміни додаткового допоміжного поля. (Утім, частіше горизонтальну розгортку роблять пропорційною частоті допоміжного поля.)
До того як усередину високочастотної котушки ми помістимо ампулу з водою, потужність, що віддається генератором, має якусь величину. (Вона не змінюється зі зміною магнітного поля.) Але щойно всередину котушки ми помістимо невелику ампулу з водою, на екрані осцилографа з'являється сигнал (див. фіг. 35.8). Ми безпосередньо бачимо графік потужності, яку поглинають протони!
На практиці важко встановити, коли основний магніт створює поле точно 5000 гс. Струм у головному магніті зазвичай підбирають, змінюючи його поступово, доки на екрані не з'явиться резонансний сигнал. Виявляється, на сьогодні це найзручніший спосіб точного вимірювання напруженості магнітного поля. Звісно, хтось мав колись точно виміряти магнітне поле й частоту та визначити величину g для протона. Однак тепер, після того як це вже зроблено, протонну резонансну апаратуру типу тієї, що зображена на рисунку, можна використовувати як «протонний резонансний магнітометр».
Кілька слів про форму сигналу. Якби ми дуже повільно змінювали магнітне поле, то можна було б очікувати, що ми побачимо звичайну резонансну криву. Поглинання енергії досягло б максимуму, коли частота генератора була б точнісінько рівна ωp. Невелике поглинання відбувалося б, звісно, і на близьких частотах, оскільки не всі протони перебувають точно в однаковому полі, а різні поля означають дещо відмінні резонансні частоти.
Але чи так усе це? Чи мусимо ми насправді бачити на резонансній частоті якийсь сигнал? Чи не варто очікувати, що високочастотне поле вирівнює заселеність обох станів, так що, за винятком першого моменту, жодного сигналу не буде, коли вода поміщається всередину поля? Не зовсім так, оскільки хоча ми й намагаємося вирівняти обидві заселеності, тепловий рух зі свого боку намагається зберегти рівноважні значення, притаманні даній температурі T. Якщо ми перебуваємо точно в резонансі, то потужність, поглинута ядрами, точно дорівнює потужності, що втрачається на тепловий рух. Однак «тепловий контакт» між системою протонних магнітних моментів і атомним рухом досить слабкий. Кожен протон відносно ізольований у центрі електронної хмари. Таким чином, чиста вода дає надто слабкий резонансний сигнал, щоб його можна було помітити. Для збільшення поглинання необхідно поліпшити «тепловий контакт». Це зазвичай роблять додаванням у воду невеликої кількості оксиду заліза. Атоми заліза — зовсім як маленькі магнітики, і коли вони стрибають туди й сюди у своєму «тепловому танці», то створюють слабеньке стрибаюче магнітне поле, яке діє на протони. Ці змінювані поля «пов'язують» протонні магнітні моменти з атомними коливаннями і прагнуть відновити теплову рівновагу. Саме через цю взаємодію протони у станах з великою енергією втрачають свою енергію і знову стають здатними до поглинання енергії генератора.
На практиці ж сигнал на виході ядерної резонансної апаратури не схожий на звичайну резонансну криву. Зазвичай це складніший сигнал з осциляціями, подібними до тих, що зображені на фіг. 35.8. Така форма сигналу зумовлена змінюваними полями. Пояснювати її слід було б з погляду квантової механіки, однак можна показати, що пояснення таких експериментів за допомогою уявлень класичної фізики, як ми їх використовували вище, теж дає правильну відповідь. З погляду класичної фізики ми б сказали, що коли ми потрапляємо в резонанс, то синхронно починаємо розгойдувати безліч прецесуючих ядерних магнітиків. У результаті ми змушуємо їх прецесувати всі разом. А обертаючись усі разом, ці маленькі магнітики створюють у котушці індуковану е.р.с. з частотою, що дорівнює ωp . Але оскільки з часом магнітне поле збільшується, то збільшується і частота прецесії, тому наведена напруга незабаром набуває частоти, більшої, ніж частота генератора. Оскільки при цьому наведена е.р.с. по черзі потрапляє то у фазу, то в протифазу зі змінним зовнішнім полем, «поглинута» потужність стає по черзі то додатною, то від'ємною. Таким чином, на екрані ми бачимо запис биттів між частотою протона і частотою генератора. Через те що частоти не всіх протонів точно однакові (різні протони перебувають у кількох різних полях), а можливо, і в результаті збурень, які вносять атоми заліза, що перебувають у воді, вільно прецесуючі моменти незабаром вибиваються з фази, і сигнали биттів зникають.
Ці явища магнітного резонансу використовуються в багатьох методах як знаряддя з'ясування нових властивостей речовини — особливо в хімії та фізиці. Я вже не кажу про те, що число магнітних моментів ядра говорить нам дещо і про його структуру. У хімії багато чого можна дізнатися зі структури (або форми) резонансів. Завдяки магнітним полям, які створюють близькі ядра, точна частота ядерного резонансу для даного окремого атома трохи зсувається; величина цього зсуву залежить від оточення, в якому він перебуває. Вимірювання цих зсувів допомагає визначити, який атом перебуває поруч із яким, і проливає світло на деталі структури молекул. Так само важливий і електронний спіновий резонанс вільних радикалів. Такі радикали, зазвичай украй нестійкі, часто з'являються на проміжних етапах низки хімічних реакцій. Вимірювання електронного спінового резонансу слугує дуже чутливим індикатором при виявленні вільних радикалів і часто дає ключ до розуміння механізму деяких хімічних реакцій.