Радиоспектроскопия

совокупность методов исследования строения вещества, а также физических и химических процессов в нём, основанных на резонансном поглощении радиоволн (См. Радиоволны). Р. Изучает вещество в твёрдом, газообразном и жидком состояниях. Ряд исследований структуры атомов и молекул осуществлен с помощью молекулярных и атомных пучков (См. Молекулярные и атомные пучки), когда взаимодействие между частицами практически отсутствует. Р. Отличается от оптической спектроскопии (См. Спектроскопия), инфракрасной спектроскопии (См. Инфракрасная спектроскопия) и мёссбауэровской γ-спектроскопии (см. Мёссбауэра эффект) малыми энергиями поглощаемых квантов. Это позволяет изучать тонкие взаимодействия в веществе, вызывающие очень малые расщепления энергетических уровней.

Кроме того, в Р. При одновременном облучении вещества радиоволнами нескольких различных резонансных частот можно изменять относительную населённость уровней энергии и наблюдать переходы, замаскированные обычно побочными взаимодействиями. В Р. Существует несколько обособленных направлений. Микроволновая спектроскопия исследует переходы между уровнями энергии, обусловленными. Либо вращательными движениями молекул (См. Молекула), обладающих постоянным дипольным электрическим моментом. Либо тонкой структурой колебательных уровней, вызванной инверсными движениями в молекулах типа аммиака (см. Молекулярный генератор). Либо тонкой структурой вращательных уровней, связанной с взаимодействием квадрупольных моментов ядер (См.

Квалрупольный момент ядра) с неоднородными молекулярными электрическими полями. Т. К. В жидкости и твёрдом теле свободное вращение молекул заторможено, то в микроволновой Р. Исследуются газы. Резонансное поглощение обычно наблюдается в диапазоне частот 1010—1011 гц (Микроволны). Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение радиоволн, обусловленное переходами между уровнями энергии, возникающими при взаимодействии магнитных моментов ядер с внешним магнитным полем Н. Частота этих переходов ω = γН, где γ — отношение магнитного момента ядра к его Спину. В поле Н = 104 гс ЯМР наблюдается в интервале частот 1—50 Мгц. Линии ЯМР уширяются и расщепляются из-за взаимодействия ядер друг с другом и с электронными оболочками (спектр ЯМР).

В твёрдых телах спектр ЯМР в основном обусловлен прямым взаимодействием между магнитными дипольными моментами ядер, а для ядер со спином I > 1/2 также взаимодействием их электрического квадрупольного момента с неоднородными электрическими молекулярными и кристаллическими полями (См. Кристаллическое поле). Эти магнитные переходы наблюдаются и в отсутствии внешнего магнитного поля (ядерный квадрупольный резонанс, ЯКР). Ширина спектральной линии ЯМР в твёрдом теле около 104 гц (ЯМР низкого разрешения). В жидкости и газе тепловое движение частиц усредняет указанные взаимодействия, линия ЯМР резко сужается, например до 10-2 гц в чистых органических жидкостях (ЯМР высокого разрешения). Спектр в этом случае определяется магнитными полями электронных оболочек и косвенным взаимодействием между ядерными спинами (через электронные оболочки).

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) — резонансное поглощение радиоволн, обусловлено переходами между уровнями, возникающими при взаимодействии с внешним магнитным полем Н магнитных моментов неспаренных электронов атомов, ионов и свободных радикалов, а также магнитных моментов носителей тока в металлах и полупроводниках. Частота ЭПР пропорциональна внешнему полю, например при Н = 104 гс ω Радиоспектроскопия 1010—1011 гц. Линии ЭПР расширяются и расщепляются из-за взаимодействия электронов с внутренними полями в кристаллах, с электронным окружением в свободных радикалах и с электронами проводимости в металлах и полупроводниках. Это приводит к появлению спектра ЭПР. Дополнительное расщепление спектральной линии ЭПР может происходить из-за взаимодействия электронов с ядрами, обладающими магнитными моментами.

Циклотронный резонанс (ЦР) наблюдается в металлах и полупроводниках, помещенных в магнитное поле Н, при совпадении частоты волны с циклотронной частотой (См. Циклотронная частота) носителей тока. Он обусловлен переходами между орбитальными уровнями электронов проводимости, образованных их взаимодействием с полем Н. Спектр ЦР в металлах определяется энергетическим спектром электронов проводимости в полупроводниках, зонной структурой, концентрацией, подвижностью и эффективной массой электронов и дырок. Ферромагнитный резонанс (ФР), ферримагнитный резонанс и Антиферромагнитный резонанс (АФР). В магнитоупорядоченных средах наблюдается резонансное поглощение радиоволн, связанное с коллективным движением магнитных моментов электронов.

Диапазон резонансных частот обычно 1010—1013 гц. Спектр определяется взаимодействием электронов с внешним магнитным полем, анизотропией и размагничивающими факторами, а в антиферромагнетиках также обменным взаимодействием (См. Обменное взаимодействие). Методы Р. Используются для изучения структуры молекул и характера молекулярного движения в жидкостях и твёрдых телах, химической кинетики, механизма химических реакций, зависимости реакционной способности от молекулярного и стереохимического строения (ЯМР, ЭПР), энергетического спектра и свойств полупроводников металлов (ЯМР, ЭПР, ЦР), а также магнетиков (ФР) и антиферромагнетиков (АФР), биологических процессов и физиологически активных веществ (ЯМР, ЭПР).

ЯМР, ЭПР применяются для контроля и управления химико-технологическими процессами. Приборы для исследования спектров ЭПР, ЯМР и др. Называются радиоспектроскопами или радиоспектрометрами. Лит. Альтшулер С. А., Козырев Б, М., Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп, 2 изд., М., 1972. Таунс Ч., Шавлов А., Радиоспектроскопия, пер. С англ., М., 1959. Эмсли Дж., Финей Дж., Сатклиф Л., Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. С англ., М., 1969. Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. С англ., М., 1968. А. М. Прохоров..