Ядерный квадрупольный резонанс

Спектроскопия ядерного квадрупольного резонанса или ЯКР - это метод химического анализа , связанный с ядерным магнитным резонансом ( ЯМР ). В отличие от ЯМР, ЯКР переходы ядер могут быть обнаружены в отсутствие магнитного поля , и по этой причине ЯКР спектроскопии, упоминается как « нулевой ЯМР Field ». Резонанс ЯКР опосредуется взаимодействием градиента электрического поля (ГЭП) с квадрупольным моментом распределения заряда ядра.. В отличие от ЯМР, ЯКР применим только к твердым телам, а не к жидкостям, потому что в жидкостях квадрупольный момент усредняется. Поскольку EFG в месте расположения ядра в данном веществе определяется в первую очередь валентными электронами, участвующими в конкретной связи с другими соседними ядрами, частота ЯКРпри 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 в аналите.

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 РЧ электромагнитного излучения 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 на основе зеемановского взаимодействия . Этот метод очень чувствителен к природе и симметрии связи вокруг ядра. Он может характеризовать фазовые переходы в твердых телах при различных температурах. 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 со спином ≥ 1/2 обладают магнитным дипольным моментом, так что их энергии разделяются магнитным полем, что позволяет резонансному поглощению энергии, связанной с ларморовской частотой :

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

где - гиромагнитное отношение, а - (нормально приложенное) магнитное поле, внешнее по отношению к ядру. ${\ displaystyle \ gamma}$ ${\ displaystyle B}$

В случае ЯКР ядра со спином ≥ 1, такие как ¹⁴N , ¹⁷ O , ³⁵Cl и ⁶³Cu , также обладают электрическим квадрупольным моментом . Ядерный квадрупольный момент связан с несферическими распределениями ядерных зарядов. По сути, это мера степени, в которой распределение ядерных зарядов отклоняется от распределения заряда в сфере; то есть вытянутой или сжатой формы ядра. ЯКР - это прямое наблюдение взаимодействия квадрупольного момента с локальным градиентом 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. называется константой квадрупольной связи. ${\ displaystyle C_ {q}}$

В принципе, экспериментатор ЯКР мог бы применить заданный EFG для воздействия, 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 с нулевым полем. ${\ displaystyle \ omega _ {Q}}$ ". 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. Были испытаны установки, предназначенные для обнаружения мин ^[1] и взрывчатых веществ, скрытых в багаже. Система обнаружения состоит из радиочастотного (RF) источника питания, катушки для создания поля магнитного возбуждения и схемы детектора, которая отслеживает отклик RF NQR, исходящий от взрывчатого компонента объекта.

Поддельное устройство , известное как ADE 651 утверждало, что использовать ЯКР для обнаружения взрывчатых веществ , но на самом деле не могло сделать ничего подобного. Тем не менее, устройство было успешно продано миллионами в десятки стран, включая правительство Ирака.

Другое практическое применение ЯКР - измерение воды / газа / нефти, выходящих из нефтяной скважины в реальном времени. Этот конкретный метод позволяет осуществлять локальный или удаленный мониторинг процесса добычи, вычислять остаточную производительность скважины и соотношение воды / детергентов, которое должен послать входной насос для эффективного извлечения нефти. ^{[ необходима цитата ]}

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

использованная литература

↑ Приложение K: Ядерный квадрупольный резонанс , Аллен Н. Гарроуэй, Лаборатория военно-морских исследований . В Жаклин Макдональд, Дж. Р. Локвуд: Альтернативы для обнаружения наземных мин . Отчет MR-1608, Rand Corporation, 2003 г.
^ Ли, Джеймс Р. (1988). Измерение и контроль температуры . Лондон: Питер Перегринус Лтд., Стр. 48. ISBN 0-86341-111-8.

[1] Приложение K: Ядерный квадрупольный резонанс , Аллен Н. Гарроуэй, Лаборатория военно-морских исследований . В Жаклин Макдональд, Дж. Р. Локвуд: Альтернативы для обнаружения наземных мин . Отчет MR-1608, Rand Corporation, 2003 г.

[2] Ли, Джеймс Р. (1988). Измерение и контроль температуры . Лондон: Питер Перегринус Лтд., Стр. 48. ISBN 0-86341-111-8.

[1]