什么是磁共振相關(guān)介紹(2)
什么是磁共振相關(guān)介紹
下面分別介紹幾種主要的磁共振。
鐵磁共振
鐵磁體中原子磁矩間的交換作用使這些原子磁矩在每個(gè)磁疇中自發(fā)地平行排列。一般，在鐵磁共振情況下，外加恒定磁場(chǎng)已使鐵磁體飽和磁化，即參與鐵磁共振進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的是彼此平行的原子磁矩(飽和磁化強(qiáng)度Ms)。鐵磁共振的這一特點(diǎn)引起的主要效應(yīng)是：鐵磁體的退磁場(chǎng)成為影響共振的一項(xiàng)重要因素，因此必須考慮共振樣品形狀的影響;鐵磁體內(nèi)交換作用場(chǎng)與磁矩平行，磁轉(zhuǎn)矩為零，故對(duì)共振無(wú)影響;鐵磁體內(nèi)磁晶各向異性對(duì)共振有影響，可看作在磁矩附近的易磁化方向存在磁晶各向異性有效場(chǎng)。在特殊情況下，例如當(dāng)高頻磁場(chǎng)不均勻時(shí)，會(huì)激發(fā)鐵磁耦合磁矩系統(tǒng)的多種進(jìn)動(dòng)模式，即各原子磁矩的進(jìn)動(dòng)幅度和相位不相同的非一致進(jìn)動(dòng)模式，稱為非一致(鐵磁)共振。當(dāng)非一致進(jìn)動(dòng)的相鄰原子磁矩間的交換作用可忽略，樣品線度又小到使傳播效應(yīng)可忽略時(shí)，這樣的非一致共振稱為靜磁型共振。當(dāng)非一致進(jìn)動(dòng)的相鄰原子磁矩間的交換作用不能忽略(如金屬薄膜中)時(shí)，這樣的非一致共振稱為自旋波共振;當(dāng)高頻磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)閾值，使共振曲線和參數(shù)與高頻磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)時(shí)，稱為非線性鐵磁共振。鐵磁共振是研究鐵磁體中動(dòng)態(tài)過(guò)程和測(cè)量磁性參量的重要方法，也是微波磁器件(如鐵氧體的隔離器、環(huán)行器和相移器)的物理基礎(chǔ)。
亞鐵磁共振
亞鐵磁體是包含有兩個(gè)或更多個(gè)不等效的磁亞點(diǎn)陣的磁有序材料，亞鐵磁共振是亞鐵磁體在居里點(diǎn)以下的磁共振。在宏觀磁性上，通常亞鐵磁體與鐵磁體有許多相似的地方，亞鐵磁共振與鐵磁共振也有許多相似的地方。因此，習(xí)慣上常把一般亞鐵磁共振也稱為鐵磁共振。但在微觀結(jié)構(gòu)上，含有多個(gè)磁亞點(diǎn)陣的亞鐵磁體與只有一個(gè)磁點(diǎn)陣的鐵磁體有顯著的差別。這差別會(huì)反映到亞鐵磁共振的一些特點(diǎn)上。這些特點(diǎn)是由多個(gè)交換作用強(qiáng)耦合的磁亞點(diǎn)陣中磁矩的復(fù)雜進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，主要表現(xiàn)在：有兩種類型的磁共振，即共振不受交換作用影響的鐵磁型共振和共振主要由交換作用決定的交換型共振，在兩個(gè)磁亞點(diǎn)陣的磁矩互相抵消或動(dòng)量矩相互抵消的抵消點(diǎn)附近，共振參量(如g因子共振線寬等)出現(xiàn)反常的變化，在磁矩和動(dòng)量矩兩抵消點(diǎn)之間，法拉第旋轉(zhuǎn)反向。這些特點(diǎn)都已在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到。亞鐵磁共振的應(yīng)用基本同鐵磁共振的一樣，其差別僅在應(yīng)用上述亞鐵磁共振的特點(diǎn)(如g因子的反常增大或減小，法拉第旋轉(zhuǎn)反向等)時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)。
反鐵磁共振
反鐵磁體是包含兩個(gè)晶體學(xué)上等效的磁亞點(diǎn)陣且磁矩互相抵消的序磁材料，反鐵磁共振是反鐵磁體在奈耳溫度以下的磁共振。它是由交換作用強(qiáng)耦合的兩個(gè)磁亞點(diǎn)陣中磁矩的復(fù)雜進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。在反鐵磁共振中，有效恒定磁場(chǎng)包括反鐵磁體內(nèi)的交換場(chǎng)BE和磁晶各向異性場(chǎng)BA。在不加外恒定磁場(chǎng)而只加適當(dāng)高頻磁場(chǎng)時(shí)，可觀測(cè)到簡(jiǎn)并的反鐵磁共振，其共振角頻率
稱為自然反鐵磁共振;
當(dāng)施加外恒定磁場(chǎng)B時(shí)，可觀測(cè)到兩支非簡(jiǎn)并的反鐵磁共振，其共振角頻率一般反鐵磁體的BE和BA都較高，反鐵磁共振發(fā)生在毫米或亞毫米波段。除應(yīng)用于基礎(chǔ)研究外，可利用其強(qiáng)內(nèi)場(chǎng)作毫米波段或更高頻段的隔離器等非互易磁器件。
順磁共振
具有未抵消的電子磁矩(自旋)的磁無(wú)序系統(tǒng)，在一定的恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用下產(chǎn)生的磁共振。若未抵消的電子磁矩來(lái)源于未滿充的內(nèi)電子殼層(如鐵族原子的3d殼層、稀土族原子的4f殼層)，則一般稱為(狹義的)順磁共振。若未抵消的電子磁矩來(lái)源于外層電子或共有化電子的未配對(duì)自旋[如半導(dǎo)體和金屬中的導(dǎo)電電子、有機(jī)物的自由基、晶體缺陷(如位錯(cuò))和輻照損傷(如色心)等]產(chǎn)生的未配對(duì)電子，則常稱為電子自旋共振。順磁共振是由順磁物質(zhì)基態(tài)塞曼能級(jí)間的躍遷引起的，其靈敏度遠(yuǎn)不如強(qiáng)磁體的磁共振高。如果在非順磁體(某些生物分子)中加入含有自由基的分子(稱為自旋標(biāo)記)，則也可在原來(lái)是抗磁性的物質(zhì)中觀測(cè)到自旋標(biāo)記的順磁共振。順磁共振技術(shù)已較廣泛地應(yīng)用于各種含順磁性原子(離子)和含未配對(duì)電子自旋的固體研究。既可研究固體的基態(tài)能譜，又可研究固體中的相變、弛豫和缺陷等的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。微波固體量子放大器也是在固體順磁共振研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。
回旋共振
亦稱抗磁共振。固體中的載流子(電子及空穴)和等離子體以及電離氣體在恒定磁場(chǎng) B和橫向高頻電場(chǎng)E(ω)的同時(shí)作用下，當(dāng)高頻電場(chǎng)的頻率ω與帶電粒子的回旋頻率相等，ω=ωc，這些帶電粒子碰撞弛豫時(shí)間τ遠(yuǎn)大于高頻電場(chǎng)周期，即τ≥1/ω時(shí)，便可觀測(cè)到帶電粒子的回旋共振。因此，回旋共振常是在高純、低溫(τ大)和強(qiáng)磁場(chǎng)(ωc高)、高頻率的條件下進(jìn)行觀測(cè)，其顯著特征是在各向同性介質(zhì)中，介電常數(shù)ε和電導(dǎo)率σ成為張量,稱為旋電性。這與其他的磁矩(自旋)系統(tǒng)的磁共振中磁導(dǎo)率 μ為張量(稱為旋磁性)不相同。此外，在電離分子中還可觀測(cè)到各種帶電離子的回旋共振──離子回旋共振。回旋共振主要應(yīng)用于半導(dǎo)體和金屬的能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量等的研究，也是實(shí)現(xiàn)研究旋電器件(如半導(dǎo)體隔離器)、微波參量放大器、負(fù)質(zhì)量放大器、毫米波激射器和紅外激光器的物理基礎(chǔ)。
核磁共振
元素周期表中絕大多數(shù)元素都有核自旋和核磁矩不為零的同位素。這些核在恒定磁場(chǎng) B和橫向高頻磁場(chǎng)bo(ω)的同時(shí)作用下，在滿足ωN=γNB 的條件下會(huì)產(chǎn)生核磁共振(γN為核磁旋比)，也可在恒定磁場(chǎng)B突然改變方向時(shí)，產(chǎn)生頻率為ωo=γB、振幅隨時(shí)間衰減的核自由進(jìn)動(dòng)，它在某些方面與核磁共振有相似之處。在固體中，核受到外加場(chǎng)Be和內(nèi)場(chǎng)Bi的作用，使共振譜線產(chǎn)生微小的移位(約0.1%～1%)，在金屬中稱為奈特移位，在一般化合物中稱為化學(xué)移位，在序磁材料中由于核外電子的極化會(huì)產(chǎn)生約1～10T的內(nèi)場(chǎng)，稱為超精細(xì)作用場(chǎng)。這些移位和內(nèi)場(chǎng)反映核周圍化學(xué)環(huán)境(指電子組態(tài)和原子分布等)的影響。研究核磁共振中的能量交換和轉(zhuǎn)移的弛豫過(guò)程，包括核自旋-自旋弛豫和核自旋-點(diǎn)陣弛豫兩種過(guò)程，也反映化學(xué)環(huán)境的影響。因此，核磁共振起著探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的微探針作用。核磁共振已成為研究各種固體(包括無(wú)機(jī)、有機(jī)和生物大分子材料)的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、相變和化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程的重要方法。新發(fā)展的核磁共振成像技術(shù)不但與超聲成像和X射線層析照相有相似的功能，而且還可能顯示化學(xué)元素和弛豫時(shí)間的分布。
磁雙共振
固體中有兩種或更多互相耦合的基團(tuán)或磁共振系統(tǒng)時(shí)，一種基團(tuán)或系統(tǒng)的磁共振可以影響另一種基團(tuán)或系統(tǒng)的磁共振，因而可以利用其中的一種磁共振來(lái)探測(cè)另一種磁共振，稱為磁雙共振。例如可利用同一物質(zhì)中的一種核的核磁共振來(lái)影響和探測(cè)另一種核的核磁共振，稱為核-核磁雙共振;可以用同一物質(zhì)中的核磁共振來(lái)影響和探測(cè)電子自旋共振，稱為電子-核磁雙共振;也可利用光泵技術(shù)來(lái)探測(cè)其他磁共振(如核磁共振或順磁共振)，稱為光磁雙共振或光測(cè)磁共振。
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