Ядерный квадрупольный резонанс
Спектроскопия ядерного квадрупольного резонанса или ЯКР представляет собой метод химического анализа , связанный с ядерным магнитным резонансом ( ЯМР ). В отличие от ЯМР, ЯКР-переходы ядер можно обнаружить в отсутствие магнитного поля , поэтому ЯКР-спектроскопию называют « ЯМР нулевого поля ». 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 ГЭП в месте расположения ядра в данном веществе определяется в первую очередь валентными электронами , участвующими в конкретной связи с другими соседними ядрами, частота ЯКРпри которых происходят переходы, уникальна для данного вещества. Конкретная частота ЯКР в соединении или кристалле пропорциональна произведению ядерного квадрупольного момента, свойства ядра, и ГЭП в окрестности ядра. Именно это произведение называется константой ядерной квадрупольной связи для данного изотопа в материале и может быть найдено в таблицах известных ЯКР-переходов. В ЯМР аналогичным, но не идентичным явлением является константа связи, которая также является результатом межъядерного взаимодействия между ядрами в анализируемом веществе.
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, обеспечиваемым неравномерным распределением электронной плотности (например, от связывающих электронов) и/или окружающих ионов. Как и в случае ЯМР, облучение ядра вспышкой радиочастотного электромагнитного излучения может привести к поглощению ядром некоторой энергии, что можно рассматривать как возмущение .квадрупольного энергетического уровня. 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 зеемановского взаимодействия . Этот метод очень чувствителен к природе и симметрии связи вокруг ядра. Он может характеризовать фазовые переходы в твердых телах при изменении температуры. Из-за симметрии сдвиги усредняются до нуля в жидкой фазе, поэтому спектры ЯКР могут быть измерены только для твердых тел.
В случае ЯМР ядра со спином ≥ 1/2 обладают магнитным дипольным моментом, так что их энергии разделяются магнитным полем, что обеспечивает резонансное поглощение энергии, связанное с ларморовской частотой :
где — гиромагнитное отношение , а — (нормально приложенное) магнитное поле, внешнее по отношению к ядру.
В случае ЯКР ядра со спином ≥ 1, такие как 14 N , 17 O , 35 Cl и 63 Cu , также обладают электрическим квадрупольным моментом . Ядерный квадрупольный момент связан с несферическим распределением заряда ядер. Как таковая, это мера степени отклонения распределения заряда ядра от распределения заряда сферы; то есть вытянутая или сплюснутая форма ядра. ЯКР представляет собой прямое наблюдение взаимодействия квадрупольного момента с локальным градиентом электрического поля (ГЭП)создается электронной структурой окружающей среды. Частоты ЯКР-переходов пропорциональны произведению электрического квадрупольного момента ядра на меру силы локальной ГЭП: