160. obljetnica rođenja Andrije Mohorovičića        21. travnja - DAN PMF-a

Hiperfine interakcije

Principi nuklearne magnetske rezonancije (NMR)

 

   Nuklearna magnetska rezonancija je spektroskopija visokog razlučivanja energijskih nivoa atomske jezgre u magnetskom polju.

    Svaka jezgra sa spinom I ima magnetski moment proporcionalan tom spinu. Ako je taj spin jezgre izložen magnetskom polju, onda Hamiltonijan ima dodatni član, Zeemanovu interakciju između magnetskog momenta i vanjskog magnetskog polja (usmjerenog duž z-osi). Uslijed toga dolazi do cijepanja energijskih nivoa u ekvidistantne nivoe, čija udaljenost ovisi o vanjskog magnetskom polju i žiromagnetskoj konstanti gama ovisnoj o svojstvima atomske jezgre. Prijelaz između nivoa se može postići ako sustav apsorbira elektromagnetsko zračenje s rezonantnom frekvencijom zvanom Larmorova frekvencija. Ta frekvencija je u području radio frekvencija (MHz).


    Povećajnjem vanjskog magnetskog polja povećavamo razmak energijskih nivoa, a time NMR rezoluciju.

   Broj rascijepljenih energijskih nivoa ovisi o spinskom kvantnom broju, a rezonantna frekvencija ovisi o vanjskom polju i konstanti gama.

 

   Ovdje je tablica gdje možemo vidjeti različite izotope i pripadne žiromagnetske omjere. Oni se dosta razlikuju. Najkorišteniji izotop, barem u kemiji je vodik. Njegov žiromagnetski omjer je najveći među svim elementima, dakle za isto vanjsko polje potrebne su najveće frekvencije za raditi H-NMR. On je također najjednostavniji za mjerenje, budući da ima najveću prirodnu učestalost i najveću osjetljivost.
    Osnovna stvar kod NMR je ta da je potreban spin jezgre različit od 0. Nemaju svi izotopi spin, na primjer spin kisika-16 je 0. Ako želimo raditi NMR kisika, moramo ga raditi s kisikom-17. Kako taj izotop ima vrlo malu prirodnu učestalost, potrebno je uzorak obogatiti s kisikom-17 prije NMR mjerenja.
    Također izotopi istog elementa s istim spinom jezgre poput Cu-63 i Cu-65 imaju različite žiromagnetske omjere. To nam omogućava njihovo razlikovanje kada proučavamo spektar. Njihova različita učestalost može se vidjeti u njihovim različitim intenzitetima.

   Do sada smo govorili smo samo o Zeemanovom efektu, to je lijepo ali nije fizikalno posebno zanimljivo.

 

 

NMR čvrstog stanja

 

   Ono što nas zanima su dodatne interakcije u čvrstom stanju koje kompliciraju naš Hamiltonijan. Prvi član je Zeemanov član. Međutim, u čvrstom stanju imamo dodatne interakcije između spina jezgre i spinova elektrona i momenata elektrona. To se naziva hiperfino vezanje.

   Efektivni Hamiltonijan možemo prikazati u formi poput Zeemanovog (ovisan o vanjskom polju i spinu jezgre), ali s dodatnim pomakom K energijskih nivoa. Ovaj pomak se zove Knight pomak. On ima spinski i orbitalni dio. Spinski dio je interesantan za proučavanje mikroskopskih svojstava uzoraka u čvrstom stanju. On je proporcionalan konstanti hiperfinog vezanja i spinskoj susceptibilnosti.

 

 

Nuklearna kvadrupolna rezonancija (NQR)

 

   Zadnji član u efektivnom Hamiltonijanu sadrži kvadrupolarnu interakciju između gradijenta električnog polja u čvrstom stanju i kvadrupolnog momenta Q jezgre. Ova interakcija postoji samo ako imamo spin jezgre veći od 1/2, jer jedino tada jezgra ima kvadrupolni moment. Naravno potreban je i postojeći električni gradijent polja u uzorku. Kvadrupolarna interakcija vodi do dodatnog energijskog doprinosa.
   To vodi na dodatni pomak energijskih nivoa. Ako se nivoi pomiču u različitim smjerovima, oni više nisu ekvidistantni i postoji nekoliko energija prijelaza i zato nekoliko rezonantnih frekvencija.

 

 

NMR spektar

 

   Glavni rezultat mjerenja NMR metodom je NMR spektar. U spektru približni položaj linija daje informaciju o elementima i izotopima koji doprinose sustavu. Izvan egzaktnih vrijednosti rezonancije centralne linije i činjenice da postoje sateliti, moguće je dobiti Knight pomak K i gradijent električnog polja. Dakle, NMR spektar daje informaciju o lokalnom magnetskom i elektronskom okolišu (jezgre) i stoga je lokalna proba. Više informacija može se dobiti iz relaksacijskih vremena.