ных системах с триплетным состоянием, металлах переходной группы, ионах редкоземельных элементов и кристаллах с точеч ными дефектами определенных типов.
Вследствие того что время электронной реакции для элек тронного парамагнитного резонанса значительно меньше, чем время реакции для ядерного магнитного резонанса, электронный парамагнитный резонанс можно применять для контроля за различными химическими явлениями и процессами, в частности, оценивая равновесные состояния, кинетику реакции, потенциаль ные барьеры и т. п. Хотя время реакции для электронного пара магнитного резонанса слишком мало для того, чтобы марки ровать группы молекул, как это делается в расходомере на ядерном магнитном резонансе, все же характеристики парамаг нитного резонанса удается использовать для «мечения» некото рых химических соединений. Например, можно подсоединить свободный радикал с хорошо различимым парамагнитным спект ром к некоторым химическим соединениям, не обладающим таким спектром. Затем эти соединения с добавленным радикалом могут идентифицироваться после их участия в различных про цессах. Для этих целей с биологическими молекулами обычно используют радикал нитроксид.
8.11.ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
Вферромагнитных изоляционных веществах (таких, как ферриты) все присутствующие в образце-электронные магнетоны вносят вклад в процессы резонанса, так как все они предвари тельно упорядочены по ориентации за счет обменных сил. Резо нансные явления, сопровождающие упорядочение ориентаций под влиянием обменных сил, называются ферромагнитным резо нансом (сокращенно ФМР). Характеристики ферромагнитного резонанса, отражающие активность всех упорядоченных маг нетонов, отличаются от характеристик ядерного магнитного резонанса, поскольку в последнем случае поддающиеся изме рениям явления обусловлены только1различием в заселенностях магнетонов с параллельными и антипараллельными ориен тациями.
Вследствие того что ферромагнитное поглощение значительно больше по интенсивности, чем парамагнитное (из-за упорядоче ния ориентаций под влиянием обменных сил), при ферромаг нитном резонансе взаимодействие между энергией и веществом удается обнаруживать при более низких уровнях энергии. Кроме того, линии ферромагнитного резонанса имеют более заострен ную форму, так как обменная связь между ферромагнитными магнетонами достаточно сильна, чтобы преодолеть воздействие тех микроскопических полей, которые приводят к уширению линий спектра при парамагнитном резонансе.
Поскольку все магнетоны прецессируют вокруг направления приложенного поля, происходит интенсивное поглощение энергии поперечного радиочастотного поля, если это поле колеблется с частотой, равной частоте прецессии. Тонкая пленка из ферро магнитного материала во внешнем магнитном поле, упорядо чивающем ориентации магнетонов, способна интенсивно погло щать энергию переменного поля, направление которого перпен дикулярно направлению упорядочивающего постоянного поля.
Вследствие большой намагниченности ферромагнитных мате риалов действующие на них размагничивающие поля также должны иметь большую напряженность. Поэтому общее магнит ное поле, воспринимаемое всеми магнетонами во всех направ лениях, может существовать только в образцах сферической формы. Обычно в микроволновых схемах в качестве ферромаг нитных резонаторов используют сферы из сплава иттрия, индия и граната (ИИГ-сфера). Напряженность магнитного поля сме щения, требуемого для того, чтобы возбудить колебания в та кой сфере диаметром 375 мкм, пропорциональна частоте ко лебаний и связана с нею через посредство коэффициента
2,8 МГц/Э = 0,035 |
МГц-м/А. Для получения |
резонанса на час |
тоте 3,6 ГГц необходимо поле смещения |
с напряженностью |
|
1300 Э = 103,5-103 |
А/м. |
|
8.12.СХЕМА УИНСЛОУ — ОЛДА — ЭЛСТОНА
Всхеме Уинслоу — Олда — Элстона частота колебаний ИИГ-
сферы изменяется под влиянием вихревых токов, наведенных на соседних поверхностях. Вообще говоря, обмен энергией между микроволновыми осцилляторами и проводящими по верхностями создает смещение резонансных частот этих ос цилляторов. При условиях резонанса ИИГ-сферы (помещен ной во внешнее магнитное поле, упорядочивающее ориентации магнетонов) прецессионная активность всех электронных магне тонов наводит вихревые токи на поверхности близлежащих проводников. Энергия, отраженная от этих вихревых токов, изменяет магнитное поле, воспринимаемое магнетонами ИИГсферы, и смещает ее резонансную частоту. Число циклов коле баний с этой резонансной частотой может быть подсчитано и представлено в числовой форме.
Количество отраженной энергии в этих условиях зависит от электрических и магнитных характеристик проводника и от расстояния между ИИГ-сферой и поверхностью проводника. Если все параметры схемы, кроме какого-либо одного, поддер живаются постоянными, то можно прокалибровать частоту резо нанса ИИГ-сферы в значениях этого переменного параметра.
Датчик на ИИГ-сфере может применяться для различения проводящих материалов разных типов, обнаружения изменений
Рис. 8.6. Схема Уинслоу — Олда — Элстона. Прецессирующие магнетоны в сфере из иттрий-ии- ,1^ дий-гранатового сплава можно использовать для наведения вих ревых токов в расположенном поблизости проводящем теле. Измерение импеданса катушки с высокочастотным током, возбуж дающей прецессию, позволяет определять некоторые характери стики этого проводящего тела
поверхностных свойств (поверхностных дефектов) таких мате риалов и для измерения расстояния ИИГ-сферы от этой поверх ности. Упорядочивающее магнитное поле, индукция которого входит в уравнение (8.1), может быть направлено либо нормаль но (как показано на рис. 8.6), либо тангенциально по отношению к исследуемой поверхности. При исследовании магнитных мате риалов требуется нормальное направление поля.
8.13. СПИНОВОЛНОВОЙ РЕЗОНАНС
При воздействии на ферромагнитную тонкую пленку магнит ным полем, перпендикулярным ее поверхности, все магнетоны пленки упорядочиваются по ориентации. Если один магнетон в такой сенсибилизированной пленке отклонить от исходной пер пендикулярной ориентации, а затем дать ему возможность вер нуться к этой предпочтительной ориентации, то его угловое от клонение будет распространяться в виде спиновой волны как по поверхности пленки, так и в ее глубине.
Явление резонанса, связанное с такими спиновыми волнами, которые распространяются от одного магнетона к другому, называется спиноволновым резонансом (сокращенно СВР)
8.14. РЕЗОНАНС МЕЖДУ ЭНЕРГИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ И СПИНОВОЙ ВОЛНОЙ
На рис. 8.7 иллюстрируется ситуация, когда приложенное магнитное поле упорядочивает магнетоны по ориентациям в направлении, перпендикулярном плоскости тонкой пленки. Эти магнетоны способны колебаться относительно исходного направ ления, перпендикулярного пленке, образуя спиновую волну с резонансной частотой, которая зависит от напряженностей при ложенного и локального магнитных полей. Электромагнитное
118
Рис. 8.7. Резонанс между энергией излучения и спиновой волной. Энергия излу чения определенной частоты интенсивно поглощается веществом, когда в нем распространяется спиновая волна такой же частоты:
| — магнетон
излучение может быть направлено тангенциально поверхности пленки. Такое излучение возбуждает спиноволновой резонанс при следующих весьма специфических условиях: во-первых, электромагнитная энергия должна иметь частоту колебаний, сов падающую с частотой спиноволнового резонанса; во-вторых, толщина пленки должна составлять нечетное число полуволн излучения электромагнитной энергии. При этом возникает спино волновой резонанс магнетонов, в результате чего происходит поглощение электромагнитной энергии.
8.15. АНТИФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
При антиферромагнитном резонансе (сокращенно АФМР) в результате взаимодействия между спинами антиферромагнитных магнетонов, упорядоченных по двум характерным на правлениям за счет обменных сил, происходит смещение резо нансной частоты этих магнетонов относительно значения, кото рое она имела бы в парамагнитном или ферромагнитном ве ществе.
8.16.ЯДЕРНЫЙ КВАДРУПОЛЬНЫЙ РЕЗОНАНС
Умолекул некоторых типов электростатическое поле не обла дает симметрией относительно всех осей (см. рис. 3.14). При этих условиях энергия упорядочения ориентации отдельного маг нетона зависит как от направления магнитных полей, так и от направления тех электрических полей, которые вызываюх упоря дочение ориентаций электрических диполей. Явление резонанса при колебании между любыми двумя возможными ориентациями, соответствующими двум указанным факторам, называется ядерным квадрупольным резонансом (сокращенно ЯКР).
8.17. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ
Намагниченность феррита, возникающая под действием по стоянного приложенного магнитного поля, уменьшается, если при помощи переменного магнитного поля возбуждена прецес сия магнетонов с ларморовской резонансной частотой. Это умень
шение постоянной |
намагниченности |
пропорционально квадра |
|||||
ту |
амплитуды |
напряженности переменного |
поля |
независимо |
|||
от |
направления |
двух приложенных |
полей |
по |
отношению друг |
||
к другу. |
|
что намагниченность |
является |
результатом |
|||
|
Вследствие того |
||||||
упорядочения ориентаций магнетонов под влиянием прило женных извне магнитных полей, любая сила, ограничивающая степень упорядоченности магнетонов, уменьшает намагничен ность. Если в этих условиях магнетоны совершают ларморовские колебания, то их способность реагировать на постоянное поле ограничена в зависимости от интенсивности этих колебаний.
На рис. 8.8 показан образец ферритового вещества, на кото рый одновременно действуют магнитное поле, упорядочивающее ориентации магнетонов, и магнитное поле, возбуждающее их прецессию. В приведенной схеме индуктивность измерительной катушки зависит от электромагнитной энергии резонанса.
8.18. РЕЗОНАНС МЕЖДУ ЗВУКОВОЙ И СПИНОВОЙ ВОЛНАМИ
Как показано на рис. 8.9, в некоторой области намагничен ного вещества могут одновременно существовать звуковые волны сжатия и волны спина магнетонов. Если частота, волны сжатия совпадает с резонансной частотой спиновой волны, то происходит их взаимодействие, которое позволяет использовать выделяю-
Рис. 8.8. Влияние изменений намагни ченности. Присутствие электромагнит ного излучения с определенной часто той можно обнаружить, измерив индук тивность катушки, расположенной вблизи образца ферритового вещества, магнетоны которого прецессируют под влиянием этого электромагнитного из лучения