Nguyên tắc của phương pháp cộng hưởng từ

Hạt nhân nguyên tử có mômen từ riêng

Các nguyên tử có electron chưa có đôi
có mômen từ quỹ đạo và mômen từ riêng

Trong từ trường ngoài các mômen từ
tiến động theo phương của của từ trường
ngoài và có sự thay tách mức năng lượng.
Khoảng cách năng lượng giữa các mức đó
tỷ lệ với từ trường ngoài.

Sự hấp thụ cộng hưởng năng lượng vi
ba / RF xuất hiện khi năng lượng photon
bằng khoảng cách năng lượng.Sự tiến động của mômen từ quanh 2 từ trường
vuông góc với nhau
Hiện tượng cộng hưởng từ xẩy ra khi có sự tiến động của
mômen từ µ quanh 2 hai từ trường B
o
và B
1
vuông góc với
nhau.
B
o

ESR
ESR
E Electron – spin của các electron chưa có đôi và sự tương tác của chúng với
môi trường xung quanh.
S Spin – spin của electron được đặc trưng bởi m
s
, một trong 4 số lượng tư’ : n,
l, m, m
s

m
s
chỉ có 2 giá trò : + ½ và – ½
P Paramagnetic – Thuật ngữ thuận từ thường được dùng để chỉ các vật liệu
bò từ trường hút. Trái với nghòch từ chỉ vật liệu bò từ trường đẩy.
Hai đóng góp chính cho thuận từ : spin và mômen động lượng quỹ đạo .
Vì thuật ngữ thuận từ tổng quát hơn và không có các gốc tự do chỉ có spin
mà không có mômen động lượng nên dùng thuật ngữ EPR chính xác hơn ESR.
R Resonance – Đây có thể là thuật ngữ quan trọng nhất trong 3 thuật ngữ
dùng trong EPR.
Khái niệm cộng hưởng là trung tâm của sức mạnh của phương pháp cộng
hưởng từ.
Bằng toán học, ta có biểu thức
0B
Bgh
µν
=

Khi chưa có từ trường ngoài, các trạng thái của nguyên tử có J
xác đònh ( nguyên tử có mô-men từ M

J
B
 mức năng lượng
2S+1
L
J
tách thành 2J + 1 mức cách đều nhau.
 Độ lớn của sự tách này phụ thuộc vào cường độ từ trường B
và vào thừa số Landé , nghóa là vào các số lượng tử L, S và J
của mức đang xét.
Nguyên tắc của phương pháp EPR

Sự tách mức năng lượng Zeeman trong từ trường.
Độ tách mức tỷ lệ tuyến tính với cường độ từ trường B.
Sự chuyển dời giữa hai mức năng lượng khi hấp thụ năng
lượng của bức xạ vi ba
h
ν
= g
µ
B
B.
gµ
B
B
Đường hấp thụ
Nguyên tắc của phương pháp EPR

Đường hấp thụ
E

10
4
cm
-1
0,1 eV
Hồng ngoại xa
(100 cm
-1
)
J = 4
J = 3
J = 2
m
J
2
1
0
-1
-2
0,1 meV
Vi ba (1 cm
-1
)
ion tự do d
2
tương tác spin-quỹ đạo trong B
1 cm
-1
= 1,24 . 10
-4

M
S
=±½
M
S
=-½
M
S
=+½
Electron
S(½)
M
I
=+½
M
I
=-½
M
I
=-½
M
I
=+½
Nucleus
I (½)
Quy tắc lọc lựa
∆M
S
= ±1; ∆M
I

I
=+1
Nucleus
I (1)
M
I
=0,±1
Quy tắc lọc lựa
∆M
S
= ±1; ∆M
I
= 0
Magnetic Field
S=½; I=1
Triplet
M
I
= 0
M
I
= 0
Tương tác siêu tinh tế
Từ trường

Độ tách lớn vì các electron chưa có đôi ở orbital s.
Phổ EPR của các nguyên tử H
Phổ EPR của các nguyên tử H

Thoạt nhìn, có thể nghó phổ cộng hưởng của electron không có

thụ bởi các electrons trong mức năng lượng thấp làm cho
chúng nhảy lên trạng thái có năng lượng cao hơn đồng thời
cũng có bức xạ cưỡng bức làm cho electron nhảy xuống mức
thấp.
Thực nghiệm phát hiện sự hấp thụ thực tế : hiệu số photon bò
hấp thụ và được bức xạ.
Vì sự hấp thụ tỷ lệ với số spin ở mức thấp và bức xạ với số
spin ở mức cao, độ hấp thụ ròng tỷ lệ với hiệu
N
–
– N
+

Tỷ số lấp đầy ở 2 mức được xác đònh bởi phân bố Boltzmann
)exp()exp(
kT
Bg
kT
E
N
N
B
µ
−=
∆
−=
−
+

Ở nhiệt độ thông thường và với từ trường bình thường , số mũ




−−=−
−+−
kT
Bg
1
N
N
B
µ
−=
−
+

Có thể thu thêm thông tin khi xét đến thời gian hồi phục.
Có thể đo được 2 thời gian quan trọng sau :
* T
1
thời gian hồi phục spin-mạng liên quan đến sự trở lại
trạng thái cân bằng nhiệt của các electron ( hay hạt nhân
trong PP NMR ) bò kích thích bởi sự hấp thụ năng lượng điện
từ .
* T
2
là thời gian hồi phục spin-spin liên quan đến sự không
đồng bộ về pha của sự tiến động của các electron bò kích thích
( hoặc hạt nhân trong phương pháp NMR ) quanh chiều của từ
trường.

đồng thời

Năng lượng bò hấp thụ bởi mạng
M
Ạ
N
G
Trạng thái
cơ bản
Trạng thái
kích thích
Quá trình hồi phục spin - mạng

Dạng đường Lorentz
22
1 )BB(a
A
A
o
o
−+
=
Dạng đường Gauss
])BB(bexp[AA
oo
22
−−=
Trên thựïc tế các đường không hoàn toàn có dạng Lorentz hoặc
Gauss mà là kết hợp của hai dạng đó.
Đường cộng hưởng bò mở rộng. Thực tế độ rộng của đường từ vài

ν−νπ+
=
phụ thuộc vào nồng độ. Với nồng độ <
0,1% có thể bỏ qua tương tác này