Ядерный квадрупольный резонанс - Nuclear quadrupole resonance

Ядерный квадрупольный резонанс спектроскопия или ЯКР - это химический анализ техника, связанная с ядерным магнитным резонансом (ЯМР ). В отличие от ЯМР, ЯКР-переходы ядер могут быть обнаружены в отсутствие магнитное поле, и по этой причине ЯКР-спектроскопия называется "ЯМР нулевого поля. "Резонанс ЯКР опосредуется взаимодействием электрическое поле градиент (EFG) с квадрупольный момент ядерной распределение заряда. В отличие от ЯМР, ЯКР применим только к твердым телам, а не к жидкостям, поскольку в жидкостях квадрупольный момент усредняется. Поскольку EFG в месте расположения ядра в данном веществе определяется в первую очередь валентные электроны участвующие в конкретной связи с другими соседними ядрами, ЯКР частота при котором происходят переходы, уникальна для данного вещества. Конкретная частота ЯКР в соединении или кристалле пропорциональна произведению ядерного квадрупольного момента, свойства ядра, и EFG в окрестности ядра. Именно этот продукт называется константой ядерного квадрупольного взаимодействия для данного изотопа в материале и может быть найден в таблицах известных переходов ЯКР. В ЯМР аналогичным, но не идентичным явлением является константа взаимодействия, которая также является результатом межъядерного взаимодействия между ядрами аналита.

Принцип

Любое ядро ​​с более чем одной неспаренной ядерной частицей (протонами или нейтронами) будет иметь распределение заряда, которое приводит к электрическому квадрупольному моменту. Допустимые уровни ядерной энергии смещаются неравномерно из-за взаимодействия заряда ядра с градиентом электрического поля, создаваемым неоднородным распределением электронной плотности (например, от связывающих электронов) и / или окружающих ионов. Как и в случае ЯМР, облучение ядра вспышкой электромагнитного излучения РЧ может привести к поглощению ядром некоторой энергии, что можно рассматривать как возмущение квадрупольного уровня энергии. В отличие от случая ЯМР поглощение ЯКР происходит в отсутствие внешнего магнитного поля. Приложение внешнего статического поля к квадрупольному ядру расщепляет квадрупольные уровни на энергию, предсказанную из Зеемановское взаимодействие. Этот метод очень чувствителен к природе и симметрии связи вокруг ядра. Он может характеризовать фазовые переходы в твердых телах, когда они выполняются при различной температуре. Из-за симметрии сдвиги в жидкой фазе усредняются до нуля, поэтому спектры ЯКР могут быть измерены только для твердых тел.

Аналогия с ЯМР

В случае ЯМР ядра с вращение ≥ 1/2 имеют магнитный дипольный момент, так что их энергии расщепляются магнитным полем, что позволяет резонансное поглощение энергии, связанной с Ларморова частота:

${ displaystyle omega _ {L} = gamma B}$

куда ${ displaystyle gamma}$ это гиромагнитное отношение и ${ displaystyle B}$ - (обычно приложенное) магнитное поле, внешнее по отношению к ядру.

В случае ЯКР ядра со спином ≥ 1, такие как ¹⁴N, ¹⁷О, ³⁵Cl и ⁶³Cu, также есть электрический квадрупольный момент. Квадрупольный момент ядра связан с несферическими распределениями ядерных зарядов. По сути, это мера степени, в которой распределение ядерных зарядов отклоняется от распределения заряда в сфере; это вытянутый или же сплюснутый форма ядра. ЯКР - это прямое наблюдение взаимодействия квадрупольного момента с локальным градиент электрического поля (EFG) создается электронной структурой своего окружения. Частоты ЯКР-переходов пропорциональны произведению электрического квадрупольного момента ядра и меры силы локальной ГЭП:

${ displaystyle omega _ {Q} sim { frac {e ^ {2} Qq} { hbar}} = C_ {q}}$

где q относится к наибольшей главной компоненте тензора ГЭП на ядре. ${ displaystyle C_ {q}}$ называется константой квадрупольной связи.

В принципе, экспериментатор ЯКР мог бы применить заданный EFG, чтобы повлиять на ${ displaystyle omega _ {Q}}$ точно так же, как экспериментатор ЯМР волен выбирать ларморовскую частоту, регулируя магнитное поле. Однако в твердых телах сила EFG составляет много кВ / м ^ 2, поэтому применение EFG для ЯКР таким образом, что внешние магнитные поля выбираются для ЯМР, нецелесообразно. Следовательно, спектр ЯКР вещества специфичен для данного вещества, а спектр ЯКР представляет собой так называемый «химический отпечаток пальца». Поскольку частоты ЯКР не выбираются экспериментатором, их может быть трудно найти, что делает ЯКР технически сложной техникой для выполнения. Поскольку ЯКР выполняется в среде без статического (или постоянного) магнитного поля, его иногда называют "ЯМР в нулевом поле ". Многие частоты переходов ЯКР сильно зависят от температуры.

Приложения

В настоящее время несколько исследовательских групп по всему миру работают над способами использования ЯКР для обнаружения взрывчатых веществ. Установки, предназначенные для обнаружения наземных мин^[1] и взрывчатые вещества, спрятанные в багаже, прошли испытания. Система обнаружения состоит из радиочастотного (RF) источника питания, катушки для создания магнитного поля возбуждения и схемы детектора, которая отслеживает отклик RF NQR, исходящий от взрывчатого компонента объекта.

А поддельное устройство, известное как ADE 651 утверждал, что использовал NQR для обнаружения взрывчатых веществ, но на самом деле не мог этого сделать. Тем не менее, устройство было успешно продано миллионами в десятки стран, включая правительство Ирака.

Другое практическое применение ЯКР - измерение воды / газа / нефти, выходящих из нефтяная скважина Этот конкретный метод позволяет осуществлять локальный или удаленный мониторинг процесса добычи, вычислять остаточную производительность скважины и соотношение воды / детергентов, которое насос подачи должен отправлять для эффективной добычи нефти.^{[нужна цитата ]}

Из-за сильной температурной зависимости частоты ЯКР его можно использовать в качестве точного датчика температуры с разрешающая способность порядка 10⁻⁴ ° C.^[2]

Рекомендации