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原子核磁現象 原子核磁現象 微觀世界雖然是我們的肉眼看不見的，但卻可以應用多種科學方法和高新技術瞭解其存在、認識其特性，有的還得到重要的應用。 這裏介紹若干重要的原子核現象及其應用。首先介紹原子核磁共振及其一些重要的應用。 核磁共振與物質結構研究 磁共振是物質中的磁矩系統在互相垂直的恒定磁場(又稱直流磁場)和高頻或微波磁場的同時作用下，當恒定磁場的強度和高頻或微磁場的頻率滿足一定的條件時，這一磁矩系統對高頻或微波産生的強烈的電磁能量吸收現象，原子核磁矩系統産生的磁共振稱爲核磁共振，電子磁矩系統産生的磁共振稱爲電子自旋磁共振。根據這一電子系統産生的磁性，如順磁性、鐵磁性等，又分爲順磁共振、鐵磁共振等。又一類磁共振是物質中的遊動電子的電荷系統在互相垂直的恒定磁場和高頻或微波電場的共同作用下，當恒定磁場的強度和高頻或微波電場的頻率滿足一定的條件時，這一遊動電子的電荷系統對高頻和微波産生強烈的電磁能量吸收現象，稱爲迴旋共振。因爲這一現象同物質的抗磁性相關，故也稱抗磁共振。運動的電荷還可能是物質中的離子所産生，稱爲離子迴旋共振。 圖1、核磁共振譜儀 在這些磁共振中，目前應用最多的是核磁共振。這是因爲在92種天然化學元素中，有80多種化學元素的原子核具有磁矩(簡稱核磁矩)，可以在一定條件下産生核磁共振，因此可以利用核磁共振方法來研究許多物質的核磁共振。又因爲核磁共振的解析度很高，又可以利用一些新技術(如電子電腦技術等)來提高靈敏度，故在物理學、化學、生物學、地質學、醫學和工農業分析等中得到重要的應用。圖1示出一台測量核磁共振的核磁共振譜儀設備，圖2示出利用核磁共振譜儀測得的乙醇(酒精)(C2H5OH)的氫(原子)核的核磁共振譜。從這核磁共振譜可以看出，共振譜中的3條譜線的強度比爲3：2：1，這正好反映乙醇中3種原子團CH3，CH2和OH中的氫原子含量的濃度比例。核磁共振研究的化學元素多、分辯率高和靈敏度高的這些特點可以得到所研究物質的很多結構和特性等方面的資訊。這在研究複雜的生物大分子甚至生物活體時更有其優點，是其他科學方法難以得到的。例如核糖核酸(RNA)、脫氧核糖核酸(DNA)和多種蛋白質的核磁共振研究便解決了許多結構上和其他方面的問題。 圖2、酒精的氫原子核的核磁共振譜 穆斯堡爾效應與磁結構研究 前面介紹各種磁性材料時，曾講到其強磁性的來源是由於構成磁性材料的原子磁矩有一定規律的排列，稱爲磁有序。而且在磁性材料中從實驗上和從理論上都表明和論證了有多種多樣的磁有序，稱爲磁結構。但是怎樣確定磁性材料中原子磁矩的微觀結構呢？這裏需要說明，原子磁矩實際上是原子中許多電子的總和磁矩，而沒有考慮原子中的原子核磁矩。這是因爲一般說來如電子和原子核等微觀粒子，其質量越大，其表徵磁性強弱的磁矩就越小。原子核的質量比電子質量約高2千倍或更高，所以原子核的磁矩就只有電子磁矩的大約2千分之一或更低。故一般講到原子磁性時便忽略原子核的磁性，而只講電子的磁性，因而把原子中的電子的總和磁矩稱爲原子磁矩。 什麽是穆斯堡爾效應？穆斯堡爾效應是指具有穆斯堡爾效應的原子核(稱爲穆斯堡爾核)中的低能級(稱爲基態能級)與較高能級(稱爲激發態能級)之間的躍遷變化。 這些能級中包含有與穆斯堡爾核的磁性有關的能級(稱爲磁能級)及磁能級之間的躍遷。一般對磁性物質(材料)穆斯堡爾效應的研究主要便是對穆斯堡爾(原子)核的磁能級之間的躍遷。從原子核的磁能級之間的躍遷看，核磁共振同穆斯堡爾效應是相似的。但是核磁共振是在原子核的基態磁能級之間躍遷。基態磁能級之間能量相差較小，故同能量成正比的核磁共振頻率較低，一般在射電頻率(高頻)和微波的範圍。但是穆斯堡爾效應卻是在穆斯堡爾(原子)核的基態磁能級與激發態磁能級之間的共振躍遷，因爲基態磁能級與激發態磁能級之間的能量相差很大，故同能量成正比的穆斯堡爾效應頻率便很高，一般在γ射線的範圍，故也稱(原子)核γ共振。在利用穆斯堡爾效應研究磁性物質(材料)時，便可從磁性物質(材料)的穆斯堡爾譜來分析其磁結構。圖3是石榴石型釔鐵氧體(Y3Fe5O12，簡寫爲YIG)中57Fe穆斯堡爾(原子)核在室溫下的穆斯堡爾譜。一般磁有序物質穆斯堡爾譜爲6條吸收線譜線，譜線的強度和距離同磁有序的情況有關。 圖中譜線的分裂顯示磁有序物質中出現不同磁有序的磁亞點陣，結合其他方面的研究，可知這一鐵氧體中的Fe離子以2:3的比例分佈於8面體(a)和4面體(b)的磁亞點陣中。從這個例子可以看出，從原子核的穆斯堡爾效應的研究中可以得到磁有序物質(材料)的許多磁性和磁結構的重要資訊。但是，還需要指出的是，目前已經觀測到具有原子核穆斯堡爾效應的化學元素只有40多種，約爲可進行核磁共振研究的化學元素的一半，而且只有Fe原子核的穆斯堡爾效應可以在室溫下觀測，其他大多數則需要在低溫下觀測。另外