原子核磁效应微观世界虽然是我们的肉眼看不见的，但却可以应用多种.DOC

原子核磁效应 微观世界虽然是我们的肉眼看不见的，但却可以应用多种科学方法和高新技术了解其存在、认识其特性，有的还得到重要的应用。　　这里介绍若干重要的原子核现象及其应用。首先介绍原子核磁共振及其一些重要的应用。??? 核磁共振与物质结构研究 　　磁共振是物质中的磁矩系统在互相垂直的恒定磁场(又称直流磁场)和高频或微波磁场的同时作用下，当恒定磁场的强度和高频或微磁场的频率满足一定的条件时，这一磁矩系统对高频或微波产生的强烈的电磁能量吸收现象，原子核磁矩系统产生的磁共振称为核磁共振，电子磁矩系统产生的磁共振称为电子自旋磁共振。根据这一电子系统产生的磁性，如顺磁性、铁磁性等，又分为顺磁共振、铁磁共振等。又一类磁共振是物质中的游动电子的电荷系统在互相垂直的恒定磁场和高频或微波电场的共同作用下，当恒定磁场的强度和高频或微波电场的频率满 图1　核磁共振谱仪 足一定的条件时，这一游动电子的电荷系统对高频和微波产生强烈的电磁能量吸收现象，称为回旋共振。因为这一现象同物质的抗磁性相关，故也称抗磁共振。运动的电荷还可能是物质中的离子所产生，称为离子回旋共振。　　在这些磁共振中，目前应用最多的是核磁共振。这是因为在92种天然化学元素中，有80多种化学元素的原子核具有磁矩(简称核磁矩)，可以在一定条件下产生核磁共振，因此可以利用核磁共振方法来研究许多物质的核磁共振。又因为核磁共振的分辨率很高，又可以利用一些新技术(如电子计算机技术等)来提高灵敏度，故在物理学、化学、生物学、地质学、医学和工农业分析等中得到重要的应用。图1示出一台测量核 图2　酒精的氢原子核的核磁共振谱 磁共振的核磁共振谱仪设备，图2示出利用核磁共振谱仪测得的乙醇(酒精)(C2H5OH)的氢(原子)核的核磁共振谱。从这核磁共振谱可以看出，共振谱中的3条谱线的强度比为3:2:1，这正好反映乙醇中3种原子团CH3，CH2和OH中的氢原子含量的浓度比例。核磁共振研究的化学元素多、分辩率高和灵敏度高的这些特点可以得到所研究物质的很多结构和特性等方面的信息。这在研究复杂的生物大分子甚至生物活体时更有其优点，是其他科学方法难以得到的。例如核糖核酸(RNA)、脱氧核糖核酸(DNA)和多种蛋白质的核磁共振研究便解决了许多结构上和其他方面的问题。 穆斯堡尔效应与磁结构研究 　　前面介绍各种磁性材料时，曾讲到其强磁性的来源是由于构成磁性材料的原子磁矩有一定规律的排列，称为磁有序。而且在磁性材料中从实验上和从理论上都表明和论证了有多种多样的磁有序，称为磁结构。但是怎样确定磁性材料中原子磁矩的微观结构呢？这里需要说明，原子磁矩实际上是原子中许多电子的总和磁矩，而没有考虑原子中的原子核磁矩。这是因为一般说来如电子和原子核等微观粒子，其质量越大，其表征磁性强弱的磁矩就越小。原子核的质量比电子质量约高2千倍或更高，所以原子核的磁矩就只有电子磁矩的大约2千分之一或更低。故一般讲到原子磁性时便忽略原子核的磁性，而只讲电子的磁性，因而把原子中的电子的总和磁矩称为原子磁矩。什么是穆斯堡尔效应？穆斯堡尔效应是指具有穆斯堡尔效应的原子核(称为穆斯堡尔核)中的低能级(称为基态能级)与较高能级(称为激发态能级)之间的跃迁变化。这些能级中包含有与穆斯堡尔核的磁性有关的能级(称为磁能级)及磁能级之间的跃迁。一般对磁性物质(材料)穆斯堡尔效应的研究主要便是对穆斯堡尔(原子)核的磁能级之间的跃迁。从原子核的磁能级之间的跃迁看，核磁共振同穆斯堡尔效应是相似的。但是核磁共振是在原子核的基态磁能级之间跃迁。基态磁能级之间能量相差较小，故同能量成正比的核磁共振频率较低，一般在射电频率(高频)和微波的范围。但是穆斯堡尔效应却是在穆斯堡尔(原子)核的基态磁能级与激发态磁能级之间的共振跃迁，因为基态磁能级与激发态磁能级之间的能量相差很大，故同能量成正比的穆斯堡尔效应频率便很高， 图3　石榴石型钇铁氧体的穆斯堡尔谱(a-8面体晶位 d-4面体晶位) 一般在γ射线的范围，故也称(原子)核γ共振。在利用穆斯堡尔效应研究磁性物质(材料)时，便可从磁性物质(材料)的穆斯堡尔谱来分析其磁结构。图3是石榴石型钇铁氧体(Y3Fe5O12，简写为YIG)中57Fe穆斯堡尔(原子)核在室温下的穆斯堡尔谱。一般磁有序物质穆斯堡尔谱为6条吸收线谱线，谱线的强度和距离同磁有序的情况有关。图中谱线的分裂显示磁有序物质中出现不同磁有序的磁亚点阵，结合其他方面的研究，可知这一铁氧体中的Fe离子以2:3的比例分布于8面体(a)和4面体(b)的磁亚点阵中。从这个例子可以看出，从原子核的穆斯堡尔效应的研究中可以得到磁有序物质(材料)的许多磁性和磁结构的重要信息。但是，还需要指出的是，目前已经观测到具有原子核穆斯堡尔效应的化学元素只有40多种，约为可进行核磁