Квантовая радиофизика: магнитный резонанс и его приложения. Учебное пособие (2-е издание, переработанное)

Артикул:00807055
Автор: Чижик В.И.
ISBN: 978-5-288-04805-0
Обложка: Твердый переплет
Издательство: Издательство СПб университета (все книги издательства)
Город: СПб
Страниц: 700
Год: 2009

Описание Отзывы

Пособие подготовлено в соответствии с учебной программой по дисциплине "Квантовая радиофизика" и содержит изложение нескольких спецкурсов, читаемых коллективом авторов на физическом факультете С.-Петербургского университета. В нем отражены некоторые аспекты теории и экспериментальные методы исследования ядерного магнитного и электронного спинового резонансов, используемые при изучении физико-химического состояния вещества и для решения прикладных задач.

Книга предназначена студентам старших курсов и аспирантам физических, химических, биологических и геологических факультетов университетов. Она может быть полезно специалистам, исследующим молекулярную структуру и движение в веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Содержание

Предисловие ко второму изданию
Предисловие

Глава 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕР И ЭЛЕКТРОНОВ МЕЖДУ СОБОЙ И С ВНЕШНИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ
§ 1.1. Основные сведения об электронных и ядерных моментах
1.1.1. Квантовомеханическое описание свойств момента импульса.
1.1.2. Магнитные дипольные моменты электронов и ядер.
1.1.3. Квадрупольный момент ядра.
§ 1.2. Явление магнитного резонанса
§ 1.3. Макроскопическая спиновая намагниченность
§ 1.4. Установление равновесной спиновой намагниченности. Времена релаксации
1.4.1. Установление стационарного состояния продольной компоненты намагниченности.
1.4.2. Установление равновесной поперечной компоненты намагниченности.
§ 1.5. Феноменологическая теория Блоха
§ 1.6. Поглощение и дисперсия параметры компонент намагниченности. Явление насыщения
§ 1.7. Форма и моменты спектральной линии магнитного резонанса
1.7.1. Формализованное описание формы линии с помощью моментов .
1.7.2. Однородное и неоднородное уширение линий магнитного резонанса.
§ 1.8. Расчет откликов спиновой системы на воздействие импульсных радиочастотных полей
1.8.1. Движение вектора ядерной намагниченности в отсутствие релаксации .
1.8.2. Свободная спиновая прецессия.
1.8.3. Формирование сигналов эха.
1.8.4. Свободная прецессия и спиновое эхо при бесконечно широком спектре.
1.8.5. Одноимпульсное эхо.
§ 1.9. Спиновый гамильтониан. Формализм матрицы плотности
1.9.1. Спиновый гамильтониан .
1.9.2. Матрица плотности.
§ 1.10. Магнитные диполь-дипольные взаимодействия
1.10.1. Гамильтониан диполь-дипольных взаимодействий.
1.10.2. Расчет энергетических уровней выделенной пары ядер.
§ 1.11. Электронно-ядерные взаимодействия
1.11.1. Взаимодействие ядра с орбитальным движением электрона.
1.11.2. Прямое диполь-дипольное взаимодействие.
1.11.3. Контактное взаимодействие.
1.11.4. Магнитное экранирование.
1.11.5. Косвенные спин-спиновые взаимодействия.
§ 1.12. Электрические квадрупольные взаимодействия

Г лава 2. ПРИНЦИПЫ НАБЛЮДЕНИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
§ 2.1. Ядерный магнитный резонанс на молекулярных и атомных пучках
§ 2.2. Источники магнитного поля
§ 2.3. Стационарные методы наблюдения ядерного магнитного резонанса
2.3.1. Спиновый детектор.
2.3.2. Прохождение через резонанс.
§ 2.4. Импульсные методы наблюдения ядерного магнитного резонанса
2.4.1. Воздействие 90-градусного импульса .
2.4.2. Амплитуда сигнала свободной индукции .
2.4.3. Основы метода фурье-преобразования ядерного магнитного резонанса.
§ 2.5. Измерение времен релаксации
2.5.1. Измерение времени спин-решеточной релаксации.
2.5.2. Измерение времени спин-спиновой релаксации.
2.5.3. Селективное измерение времен релаксации Ti и Т2 .
§ 2.6. Измерение коэффициентов трансляционной диффузии
§ 2.7. Спиновое эхо в трехимпульсной последовательности

Глава 3. ЯДЕРНАЯ МАГНИТНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ
§ 3.1. Вероятность релаксационных переходов
§ 3.2. Двухуровневые системы: релаксация, спиновая температура
§ 3.3. Многоуровневые системы: спин-решеточная релаксация
§ 3.4. Предварительные замечания к теории Редфилда
§ 3.5. Основное уравнение в теории Редфилда
§ 3.6. Флуктуации магнитного поля (Общее рассмотрение)
§ 3.7. Влияние флуктуации магнитного поля на ЯМР-релаксацию
3.7.1. Влияние анизотропии электронного экранирования.
3.7.2. Влияние спин-вращательного взаимодействия.
§ 3.8. Магнитная диполь-дипольная релаксация
§ 3.9. Диполь-дипольная релаксация при взаимодействии двух спинов одного сорта
§ ЗЛО. Диполь-дипольная релаксация при взаимодействии спинов разных сортов
§ 3.11. Скалярная релаксация
§ 3.12. Квадрупольная релаксация
§ 3.13. Релаксация в условиях гетерогенности системы и суперпозиции различных взаимодействий
§ 3.14. Релаксация во вращающейся системе координат

Глава 4. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В ЖИДКОСТЯХ
§ 4.1. Предварительные замечания о расчете спектров ядерного магнитного резонанса
4.1.1. Вычисление величин химического сдвига и косвенного спин-спинового взаимодействия .
4.1.2. Спиновый гамильтониан в жидкостях.
4.1.3. Форма спектральной линии.
4.1.4. Обозначение спектров. Магнитно-эквивалентные и неэквивалентные ядра.
§ 4.2. Расчет спектров ядерного магнитного резонанса
4.2.1. Аналитическое и приближенное вычисление спектров, учет симметрии системы спинов.
4.2.2. Спектр системы р магнитно-эквивалентных ядер.
4.2.3. Расчет спектров ЯМР первого порядка системы АРХЧ .
4.2.4. Расчет спектра системы АВ.
4.2.5. Расчет спектра системы АВХ.
4.2.6. Примеры спектров ЯМР в жидкостях.
§ 4.3. Динамические эффекты в спектрах ядерного магнитного резонанса
4.3.1. Двухпозиционный обмен.
4.3.2. Многопозиционный обмен.
4.3.3. Влияние обменных процессов на косвенные спин-спиновые мультиплеты спектров ЯМР.
§ 4.4. ЯМР-релаксация в жидкостях
4.4.1. Разделение внутри- и межмолекулярного вкладов в диполь-дипольную релаксацию .
4.4.2. Чистые жидкости и их смеси .
4.4.3. Диамагнитные растворы электролитов.
4.4.4. Парамагнитные растворы электролитов.
4.4.5. Гетерогенные системы .

Глава 5. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В ДИАМАГНИТНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
§ 5.1. Влияние диполь-дипольных взаимодействий на спектр ЯМР в твердых телах
5.1.1. Спектр ЯМР для выделенной пары ядер разных сортов.
5.1.2. Спектр ЯМР для выделенной пары ядер одного сорта.
§ 5.2. Изучение структурных параметров методом ЯМР
§ 5.3. Метод моментов Ван-Флека
5.3.1. Расчет второго момента спектральной линии.
5.3.2. Экспериментальное определение второго момента.
5.3.3. Форма спектральной линии и ее второй момент при наличии молекулярного движения.
§ 5.4. Влияние квадрупольного взаимодействия на спектр ЯМР
§ 5.5. Методы определения компонент тензора ГЭП по спектрам ЯМР
5.5.1. Универсальный метод определения компонент тензора ГЭП.
5.5.2. Метод единственного вращения.
§ 5.6. Форма спектральной линии ядерного магнитного резонанса в поликристаллах
§ 5.7. Ядерный магнитный резонанс высокого разрешения в твердых телах
5.7.1. Сужение линий спектра ЯМР при вращении образца под "магическим" углом.
5.7.2. Сужение линий спектра ЯМР с помощью импульсных последовательностей.
5.7.3. Экспоненциальные операторы.
5.7.4. Квантовоме-ханический аналог вращающейся системы координат.
5.7.5. Гамильтониан внутренних взаимодействий во вращающейся системе координат. Метод среднего гамильтониана.
5.7.6. Периодическое произвольное воздействие на систему спинов.
5.7.7. Четырехимпульсная последовательность WHH-4.
5.7.8. Импульсная последовательность MREV-8.
§ 5.8. Релаксация в диамагнитных твердых телах. Влияние медленных движений

Глава 6. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ
§ 6.1. Структура и свойства жидких кристаллов
§ 6.2. Спиновый гамильтониан в жидких кристаллах
6.2.1. Диполь-дипольные взаимодействия
6.2.2. Квадрупольные взаимодействия.
6.2.3. Электронное экранирование ядер.
§ 6.3. ЯМР-спектроскопия жидких кристаллов
§ 6.4. ЯМР-релаксация в жидких кристаллах
Глава 7. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В МАГНИТОУПОРЯ-ДОЧЕННЫХ ВЕЩЕСТВАХ
§ 7.1. Магнитоупорядоченные вещества
§ 7.2. Локальное поле
§ 7.3. Механизмы усиления радиочастотного поля в доменах
§ 7.4. Воздействие постоянного и переменного магнитных полей на антиферромагнетик
§ 7.5. Механизм усиления радиочастотного поля в доменных стенках
§ 7.6. Влияние разброса значений коэффициента усиления поля на амплитуды сигналов свободной прецессии и спинового эха.
7.6.1. Особенности формирования сигналов свободной прецессии и спинового эха в условиях разброса значений коэффициента усиления .
7.6.2. Расчет интенсивности сигналов свободной прецессии и спинового эха при использовании функции распределения ядер по коэффициентам усиления .
§ 7.7. Влияние бесконечно широкого спектра ЯМР на формирование сигналов
свободной прецессии и спинового эха в магнетиках
7.7.1. Свободная прецессия (338). 7.7.2. Влияние бесконечно широкого спектра ЯМР на сигнал спинового эха .
§ 7.8. Собственные частоты связанной электронно-ядерной системы.
§ 7.9. Поведение вектора ядерной намагниченности при учете воздействия ядерной системы на электронную.

Г лава 8. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ АНСАМБЛЯ СЛАБО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ПАРАМАГНИТНЫХ ЦЕНТРОВ.
§ 8.1. Общий вид гамильтониана электрона в электромагнитном поле.
8.1.1. Квазирелятивистский гамильтониан.
8.1.2. Гамильтониан электрона в электростатическом поле, близком к центральному, и однородном магнитном поле .
8.1.3. Гамильтониан атома с несколькими электронами .
§ 8.2. Модель свободного атома или иона.
8.2.1. Предварительные замечания.
8.2.2. Электрон в кульновом поле (водородоподобный ион) (359). 8.2.3. Волновые функции р- и d-состояний.
8.2.4. Электрон в сферически-симметричном самосогласованном поле.
8.2.5. Модель атома в приближении сферически-симметричного самосогласованного поля.
8.2.6. Модель атома в LS-приближении (учет остаточного взаимодействия).
8.2.7. Модель атома в J-приближении (учет спин-орбитального взаимодействия).
§ 8.3. Модель кристаллического поля..
8.3.1. Предпосылки построения модели .
8.3.2. Классификация кристаллических полей .
8.3.3. Соотнесение конкретных объектов с кристаллическим полем определенного типа .
§ 8.4. Теория групп и ее применение в теории электронного парамагнитного резонанса .
8.4.1. Основные положения теории симметрии. Преобразования симметрии и элементы симметрии.
8.4.2. Применение теории групп к задачам электронного парамагнитного резонанса.
§ 8.5. Расщепление энергетических уровней парамагнитного центра в кристаллическом поле.
8.5.1. Качественный подход .
8.5.2. Аналитическое выражение для потенциала кристаллического поля .
8.5.3. Величина расщеплений электронных уровней в сильном кристаллическом поле.
8.5.4. Расщепление термов конфигураций прк и ndk в среднем кристаллическом поле.
8.5.5. Расщепление уровней энергии парамагнитного центра в слабом кристаллическом поле.
§ 8.6. Парамагнитные комплексы с ковалентной связью.
8.6.1. Недостаточность модели кристаллического поля.
8.6.2. Сущность модели ковалентных связей.
8.6.3. Образование молекулярных орбиталей в парамагнитных комплексах.
8.6.4. Нахождение комбинаций атомных орбиталей лигандов, удовлетворяющих требованиям симметрии.
8.6.5. Уровни энергии комплекса МХв.
8.6.6. Порядок заполнения электронных уровней в октаэд-рических комплексах .
8.6.7. Свойства комплексов

Глава 9. ТЕОРИЯ СПЕКТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА.
§ 9.1. Спиновый гамильтониан.
9.1.1. Спиновый гамильтониан в первом приближении теории возмущений.
9.1.2. Спиновый гамильтониан во втором приближении теории возмущений .
9.1.3. Спиновый гамильтониан при наличии оси симметрии выше второго порядка .
9.1.4. Начальное расщепление и анизотропия .
9.1.5. Парамагнетизм Ван-Флека .
9.1.6. Связь параметров спинового гамильтониана с расщеплениями в кристаллическом поле.
§ 9.2. Расчет спектров электронного парамагнитного резонанса методом спинового гамильтониана.
9.2.1. Угловая зависимость частоты электронного парамагнитного резонанса при 5 = 1/2 .
9.2.2. Ион Ni2+ в среднем кристаллическом поле .
9.2.3. Правила отбора и расчет относительных интенсивностей линий в спектре ЭПР.
9.2.4. Ион Сг3+ в среднем кристаллическом поле .
9.2.5. Применение спинового гамильтониана для расчета спектров ЭПР молекул в триплетном состоянии .
§ 9.3. Вырожденный основной уровень в среднем и слабом кристаллических полях
9.3.1. Среднее кристаллическое поле.
9.3.2. Слабое кристаллическое поле.
§ 9.4. Сверхтонкая структура спектров электронного парамагнитного резонанса
и спектроскопия свободных радикалов.
9.4.1. Спиновый гамильтониан при наличии сверхтонких взаимодействий.
9.4.2. Изотропное сверхтонкое взаимодействие.
9.4.3. Спектроскопия свободных радикалов.

Глава 10. ЯДЕРНЫЙ КВАДРУПОЛЬНЫЙ РЕЗОНАНС
§ 10.1. Основы теории ядерного квадрупольного резонанса.
10.1.1. Энергетические уровни, частоты и интенсивности переходов.
10.1.2. Точное решение секулярного уравнения при / = 1 и / = 3/2.
10.1.3. Ядерный квадрупольный резонанс в магнитном поле.
§ 10.2. Зависимость частоты ядерного квадрупольного резонанса от температуры
10.2.1. Вращательные качания.
10.2.2. Трансляционные колебания .
10.2.3. Аномальная зависимость частот ядерного квадрупольного резонанса от температуры.
§ 10.3. Аппаратурные методы регистрации сигналов ядерного квадрупольного
резонанса.
§ 10.4. Физические основы импульсных методов в ЯКР-спектроскопии.
10.4.1. Формирование свободной прецессии при использовании метода ЯКР.
10.4.2. Формирование сигналов квадрупольного спинового эха в нулевом или слабом магнитном поле.
10.4.3. Двухчастотное квадрупольное спиновое эхо.
§ 10.5. Импульсные последовательности, используемые для сужения линий спектра ЯКР.
§ 10.6. Квадрупольная релаксация в твердых телах.
§ 10.7. Методы расчета параметров спектров ЯКР.
10.7.1. Метод Таунса-Дейли.
10.7.2. Неэмпирические методы расчета параметров ядерного квадрупольного резонанса в кристаллах.
10.7.3. Полуэмпирический метод расчета Малликена-Вольфсберга-Гельмгольца.
10.7.4. Метод расчета по модели точечных мультиполей .
Приложение: Выбор базисных функций.

Глава 11. ДВОЙНЫЕ РЕЗОНАНСЫ И ПЕРЕНОС ПОЛЯРИЗАЦИИ.
§ 11.1. Предварительные замечания.
§ 11.2. Эффект Оверхаузера.
§ 11.3. Двойной электронно-ядерный резонанс.
§ 11.4. Варианты импульсных двойных резонансов.
11.4.1. Двойной резонанс спинового эха.
11.4.2. Косвенный метод регистрации ядерного магнитного резонанса на основе кросс-релаксационных эффектов в двойных резонансах.
11.4.3. Прямой метод регистрации сигналов ЯМР.
§ 11.5. Двумерная фурье-спектроскопия ядерного магнитного резонанса.
11.5.1. Сущность многомерной ЯМР-спектроскопии.
11.5.2. Двумерная спектроскопия: получение и интерпретация 2М(2Р)-спектров.
11.5.3. .J-Спектроскопия: разделение эффектов электронного экранирования и скалярного взаимодействия.
11.5.4. Корреляционная двумерная спектроскопия (COSY): идентификация групп ядер, связанных взаимодействиями.
11.5.5. Двумерная спектроскопия на основе эффекта Оверхаузера (NOESY).
11.5.6. Двумерная обменная спектроскопия (EXSY и ROESY).
11.5.7. Многоквантовая спектроскопия: основные понятия.
11.5.8. Заключениe.
§ 11.6. Двойные ядерные квадрупольные резонансы.
11.6.1. Спин-эхо двойной ядерный квадрупольный резонанс.
11.6.2. Стационарный двойной квадрупольный резонанс во вращающейся системе координат .
11.6.3. Двойной ЯМР-ЯКР в сильном магнитном поле.
11.6.4. Двойной ЯМР-ЯКР резонанс в нулевом магнитном поле.
11.6.5. Двойной ЯМР-ЯКР резонанс в слабом магнитном поле.

Глава 12. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ИДЕИ КВАНТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ.
§ 12.1. Квантовое усиление электромагнитных полей.
§ 12.2. Расчет вероятности квантовых переходов.
§ 12.3. Общие причины уширения спектральных линий.
12.3.1. Естественная ширина линий.
12.3.2. Уширение спектральных линий при взаимодействии микрочастиц с электромагнитными полями.
§ 12.4. Использование спектральных линий в качестве узкополосных фильтров.
§ 12.5. Стабилизация частоты с помощью квантового генератора.
§ 12.6. Стандарты частоты с квантовым дискриминатором.

Глава 13. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА МОЛЕКУЛЯРНЫХ И АТОМНЫХ ПУЧКАХ.
§ 13.1. Сортировка молекул и атомов по энергетическим состояниям при движении в неоднородных полях.
§ 13.2. Вращательно-инверсионные спектры молекул.
§ 13.3. Устройство генератора на пучке молекул аммиака.
§ 13.4. Уравнение, описывающее работу молекулярного генератора.
§ 13.5. Причины нестабильности частоты генератора на пучке молекул аммиака
13.5.1. Влияние ширины спектральной линии.
13.5.2. Влияние тепловых шумов.
13.5.3. Влияние эффекта Доплера.
13.5.4. Влияние внутримолекулярных взаимодействий.
§ 13.6. Спектральный переход, используемый в водородном мазере.
§ 13.7. Устройство генератора на пучке атомов водорода.
§ 13.8. Ширина спектральной линии атомов водорода в накопительной колбе и причины нестабильности частоты генератора на водороде.
§ 13.9. Цезиевый стандарт частоты и времени.
§ 13.10. Сравнительный анализ различных квантовых приборов на пучках атомов и молекул.

Глава 14. КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА.
§ 14.1. Магнитная добротность.
§ 14.2. Применение вспомогательного излучения.
§ 14.3. Резонаторные квантовые усилители.
§ 14.4. Квантовые усилители бегущей волны.
§ 14.5. Шумы квантовых усилителей.
§ 14.6. Некоторые конструктивные особенности квантовых усилителей на ЭПР.

Глава 15. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРИБОРАХ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.
§ 15.1. Применение оптической накачки для увеличения интенсивности спектральной линии радиодиапазона.
§ 15.2. Квантовый стандарт времени и частоты на парах рубидия.

Глава 16. КВАНТОВАЯ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ МАГНИТОМЕТРИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ.
§ 16.1. Метод свободной ядерной индукции в магнитном поле Земли.
§ 16.2. Параметры сигнала свободной ядерной индукции.
16.2.1. Отношение сигнала к шуму.
16.2.2. Форма сигнала свободной ядерной индукции в неоднородном поле.
16.2.3. Реакция приемного контура.
§ 16.3. Динамическая поляризация ядер в слабом магнитном поле.
§ 16.4. Ядерно-резонансные генераторы.
16.4.1. Ядерно-резонансный генератор Шмельцера.
16.4.2. Ядерно-резонансный генератор с текущей жидкостью.
§ 16.5. Принципы построения протонных геомагнитометров.
16.5.1. Спиновые детекторы свободной ядерной индукции.
16.5.2. Регистраторы сигнала ядерной индукции.
§ 16.6. Оптическая поляризация в квантовой магнитометрии.
§ 16.7. Некоторые применения квантовых магнитометров.

Глава 17. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА.
§ 17.1. Использование спинового эха в системах обработки информации.
§ 17.2. Магнитнорезонансная томография.
17.2.1. Получение спиновых изображений из сигналов ядерной индукции в неоднородном поле.
17.2.2. Методы селективного облучения.
17.2.3. Модификации основных методов получения ЯМР-изображений.
17.2.4. Контрастирование магнитнорезонансных изображений.
17.2.5. Применение магнит-норезонансных изображений .
§ 17.3. Использование ядерного магнитного резонанса в земном поле для создания приборов гидродинамического контроля.
17.3.1. Влияние течения жидкости на сигналы ЯМР.
17.3.2. Спиновое эхо в неоднородном магнитном поле.
17.3.3. Наблюдение сигналов ЯМР стационарными методами.
17.3.4. Наблюдение сигналов ЯМР в поле Земли.
17.3.5. Наблюдение сигнала свободной прецессии при внешнем расположении изучаемого объекта относительно датчиков.

Указатель рекомендуемой литературы.

Оставьте отзыв о товаре