Obraz5 (198)

B₀

Rys. 13.2. Doświadczenie do demonstracji elektronowego rezonansu spinowego: żyroskop, którego osią jest magnes sztabkowy, wykonuje precesję w polu magnetycznym B₀ (oraz w polu grawitacyjnym Ziemi). Nachylenie osi żyroskopu względem kierunku wyznaczonego przez B₀ można zmienić za pomocą oscylującego pola B,, jeżeli częstość pola B, jest równa częstości precesji żyroskopu. Ważne jest, by żyroskop używany podczas pokazu byl tak zbudowany, aby źródłem jego napędu była podstawa S, np. przy użyciu sprężonego powietrza i zgodnie z zasadą turbiny wodnej

Podstawową ideę ESR można zilustrować na przykładzie modelu mechanicznego (rys. 13.2): żyroskop, którego osią jest magnes sztabkowy, wykonuje precesję w polu magnetycznym. Częstość precesji (przy pominięciu siły grawitacyjnej) jest równa

(13.6)

MIBol

co, =-,

m\

gdzie p oznacza moment magnetyczny magnesu (sztabkowego), a L — moment pędu żyroskopu.

Częstość precesji lub lepiej — prędkość kątowa o_L żyroskopu magnetycznego w obecności pola magnetycznego nie zależy od kąta a między kierunkami jx oraz B„, ponieważ momenty obrotowe wytworzone przez pole i szybkość zmiany wektora momentu pędu zależą tak samo od sinusa kąta a (rys. 12.12). Przy zaniedbaniu siły grawitacji częstość co_L jest wyznaczona tylko przez moment magnetyczny p i moment pędu L żyroskopu oraz przez moment obrotowy wytworzony przez pole B₀.

Wprowadzając dodatkowe, oscylujące pole B_u o częstości o skierowanej prostopadle względem B₀, zaobserwujemy ciągłe zwiększanie lub zmniejszanie kąta nachylenia a w zależności od tego, czy ruch żyroskopu i pole są zgodne w fazie, czy nie, o ile tylko częstość co jest równa <a_L.

Model ten można natychmiast przenieść na atom. Moment magnetyczny magnesu zastępujemy momentem magnetycznym atomu i otrzymujemy następujący warunek na częstość kołową rezonansu spinowego elektronów:

6>l =

IpIIBo

|l|

yB₀-

(13.7)

Jest to częstość Larmora wprowadzona już w rozdziale 12.3.

W klasycznym modelu żyroskopu wierzchołek osi żyroskopu przechodzi z jednego stabilnego położenia w inne, poruszając się po orbicie spiralnej. Z dobrą dokładnością możemy taki model wykorzystać do opisania ruchu spinu lub orbitalnego momentu pędu w atomie. Do opisania przejść rezonansowych wykorzystujamy dodatkowo fakt, że w obecności stałego pola magnetycznego B₀ spin lub moment pędu atomu mają tylko pewne dyskretne, dozwolone orientacje stacjonarne. W tym modelu pod wpływem oscylującego pola Bi następują przejścia (spinowe) między tymi dyskretnymi poziomami. W szczególności w przypadku spinu 1/2

239