ESR, spinový hamiltonián a spektra



Podobné dokumenty
Dekapling, koherentní transfer polarizace, nukleární Overhauserův jev

Korelační energie. Celkovou elektronovou energii molekuly lze experimentálně určit ze vztahu. E vib. = E at. = 39,856, E d

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

Zeemanův jev. Pavel Motal 1 SOŠ a SOU Kuřim, s. r. o. Miroslav Michlíček 2 Gymnázium Vyškov

MIKROVLNNÁ SPEKTROSKOPIE RADIKÁLU FCO 2. Lucie Kolesniková

Jiří Brus. (Verze ) (neupravená a neúplná)

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. VII. Spektroskopie a fotochemie

Úvod do magnetizmu pevných látek

Ideální krystalová mřížka periodický potenciál v krystalu. pásová struktura polovodiče

FYZIKA 4. ROČNÍK. Kvantová fyzika. Fotoelektrický jev (FJ)

POTENCIÁL ELEKTRICKÉHO POLE ELEKTRICKÉ NAPĚTÍ

ZÁKLADNÍ EXPERIMENTÁLNÍ

IDENTIFIKACE LÉČIVA V TABLETÁCH POMOCÍ RAMANOVY SPEKTROMETRIE

Tepelná kapacita = T. Ē = 1 2 hν + hν. 1 = 1 e x. ln dx. Einsteinův výpočet (1907): Soustava N nezávislých oscilátorů se stejnou vlastní frekvencí má

radiační ochrana Státní úřad pro jadernou bezpečnost

Dvourozměrná NMR spektroskopie metody

Nukleární magnetická rezonance (NMR)

Struktura atomů a molekul

Spinový moment hybnosti /magnetický moment, interakce s magnetickým polem

Fyzika IV. 1) orbitální magnetický moment (... moment proudové smyčky) gyromagnetický poměr: kvantování: Bohrův magneton: 2) spinový magnetický moment

Hranolový spektrometr

Základy Mössbauerovy spektroskopie. Libor Machala

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Fotoelektrický jev je uvolňování elektronů z látky vlivem dopadu světelného záření.

37 MOLEKULY. Molekuly s iontovou vazbou Molekuly s kovalentní vazbou Molekulová spektra

1 Tepelné kapacity krystalů

( x ) 2 ( ) Úlohy na hledání extrémů. Předpoklady: 10211

2. ELEKTRICKÉ OBVODY STEJNOSMĚRNÉHO PROUDU

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

Kinetika spalovacích reakcí

4.4 Exploratorní analýza struktury objektů (EDA)

Skoro každý prvek má nějaký stabilní isotop s nenulovým spinem. (Výjimky: Ar, Tc, Ce, Pm)

Radioterapie. X31LET Lékařská technika Jan Havlík Katedra teorie obvodů

spinový rotační moment (moment hybnosti) kvantové číslo jaderného spinu I pro NMR - jádra s I 0

NMR spektroskopie. Úvod

Jméno autora: Mgr. Ladislav Kažimír Datum vytvoření: Číslo DUMu: VY_32_INOVACE_09_Ch_OB Ročník: I. Vzdělávací oblast: Přírodovědné

NMR biomakromolekul RCSB PDB. Progr. NMR

L A S E R. Krize klasické fyziky na přelomu 19. a 20. století, vznik kvantových představ o interakci optického záření s látkami.

Relativistická dynamika

Barva produkovaná vibracemi a rotacemi

Aplikovaná optika. Optika. Vlnová optika. Geometrická optika. Kvantová optika. - pracuje s čistě geometrickými představami

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Teorie elektrických ochran

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Petr Dvořák. Studium spin-mřížkové a spin-spinové relaxace NMR jader 1

9. MĚŘENÍ TEPELNÉ VODIVOSTI

NMR spektroskopie vysokého rozlišení v kapalné a pevné fázi spinový hamiltonián, typy interakcí, projevy ve spektrech

Hmotnostní spektrometrie

λ, (20.1) infračervené záření ultrafialové γ a kosmické mikrovlny

Spektra 1 H NMR. Velmi zjednodušeně! Bohumil Dolenský

Složení hvězdy. Hvězda - gravitačně vázaný objekt, složený z vysokoteplotního plazmatu; hmotnost 0,08 M ʘ cca 150 M ʘ, ale R136a1 (LMC) má 265 M ʘ

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Charakteristiky termistoru. stud. skup.

Pružnost. Pružné deformace (pružiny, podložky) Tuhost systému (nežádoucí průhyb) Kmitání systému (vlastní frekvence)

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 4: Balmerova série vodíku. Abstrakt

Chemické složení vesmíru

Vlnění, optika a atomová fyzika (2. ročník)

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval:.Jakub Višňák... stud.sk.:... dne:

4. STANOVENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

Elektronický učební text pro podporu výuky klasické mechaniky pro posluchače učitelství I. Mechanika hmotného bodu

Metody spektrální. Metody molekulové spektroskopie NMR. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Projekty do předmětu MF


Metody pro studium pevných látek


( ) Úloha č. 9. Měření rychlosti zvuku a Poissonovy konstanty

MĚŘENÍ INDUKČNOSTI A KAPACITY

Řešené úlohy ze statistické fyziky a termodynamiky

2. 1 S T R U K T U R A A V L A S T N O S T I A T O M O V É H O J Á D R A

Ch - Elektronegativita, chemická vazba

IDEÁLNÍ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

12.NMR spektrometrie při analýze roztoků

NMR spektroskopie rádiové frekvence jádra spinovou rezonancí jader spinový moment lichý počet

ZÁKLADY SPEKTROSKOPIE

OSTRAVSKÁ UNIVERZITA V OSTRAVĚ MOLEKULOVÁ FYZIKA 1

ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ

Lasery RTG záření Fyzika pevných látek

Nanotechnologie a jejich aplikace. doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc.

FYZIKÁLNÍ CHEMIE I: 2. ČÁST

Referát z Fyziky. Detektory ionizujícího záření. Vypracoval: Valenčík Dušan. MVT-bak.

3.2 Rovnice postupné vlny v bodové řadě a v prostoru

Matematika I Reálná funkce jedné promìnné

NUMERICAL INTEGRATION AND DIFFERENTIATION OF SAMPLED TIME SIGNALS BY USING FFT


Několik poznámek na téma lineární algebry pro studenty fyzikální chemie

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

Studium kladného sloupce doutnavého výboje pomocí elektrostatických sond: jednoduchá sonda

17 Vlastnosti molekul

Opakování

3 Elektromagnetické vlny ve vakuu

Oddělení pohybu elektronů a jader

Absorpční fotometrie

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Ozubené řemeny HTD. Ozubené řemeny s metrickou roztečí. Provedení HTD. Konstrukční charakteristiky. Rozměrové charakteristiky

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Základy fyzikálněchemických

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

Transkript:

ER, spnový hamltonán a spektra NMR k k získávání důležtých nformací o struktuře látky využívá gyromagnetckých vlastností atomových jader. Podobně ER (EPR) využívá k obdobným účelům gyromagnetckých vlastností elektronů a zabývá se studem látek obsahujících paramagnetcké částce (molekuly, atomy a paramagnetcká centra ) s nenulovým elektronovým magnetckým momentem. V EPR tedy studujeme látky, v jejchž elektronové struktuře exstuje jeden č více elektronů s nevykompenzovaným spnovým magnetckým momentem (tzv. nepárových elektronů) a slně potlačeným orbtálním magnetckým momentem. Takovýmto látkam jsou například: Volné atomy s lchým počtem elektronů (N, H, ). Atomy (onty) tranztvních prvků. Molekuly s lchým počtem elektronů (NO, ) Molekuly se sudým počtem elektronů, ale s nevykompenzovaným spny (O 2 ). Volné radkály zejména v organckých látkách (nenasycené vazby, CH 3, OH, ). Barevná centra. Vodvostní elektrony (Paulho paramagnetsmus). pnový hamltonán pnovým hamltonánem nazýváme tu část celkového hamltonánu studované soustavy, která obsahuje spnové proměnné. Př sestavování spnového hamltonánu je třeba dbát na to, aby obsahoval členy reprezentující všechny nterakce ovlvňující tvar EPR spektra příslušného volného radkálu v daném prostředí. Obecně je třeba vzít v úvahu členy typu H =μ B g j Ŝ B 0 j, g j - tenzor g-faktoru (1) reprezentující nterakce elektronového magnetckého momentu volného radkálu a magnetckých momentů jader atomů, které jej vytvářejí, s vnějším magnetckým polem a členy typu = A k Î k, k operátor celkového spnu atomu, A k tenzor (magnetcké) hyperjemné nterakce reprezentující vzájemnou nterakc elektronového a jaderných magnetckých momentů. 4Len reprezentující jadernou kvadrupólovou nterakc se obvykle v úvahu nebere, poněvadž je nenulový pouze pro jádra se spnem I >1, kdy navíc ovlvňuje jen pouze přechody, které odpovídají současné změně orentace elektronového jaderného magnetckého momentu. Tyto přechody jsou v EPR zakázané a lze je pozorovat pouze ve zvláštních případech. Zcela obecně můžeme tedy spnový hamltonán zapsat ve tvaru: =μ B B 0 g Ŝ + Î A Ŝ g μ N Î B 0, (3) (2) 1

kde B 0 je vnější magnetcké pole, Ŝ je operátor elektronového spnu, Î jsou operátory jaderných spnů, g jaderné g-faktory, g je tenzor g-faktoru volného radkálu, A jsou tenzory hyperjemné nterakce elektronového magnetckého momentu s magnetckým momenty jader. čítá se přes všechna jádra s nenulovým jaderným magnetckým momentem. První člen hamltonánu (3) se lší od spnového hamltonánu volného elektronu tím, že je v něm g- faktor volného elektronu nahrazen tenzorem g-faktoru g.jaká je příčna této zkutečnost, která významně ovlvňuje polohy a tvary EPR spekter volných radkálů? V molekulární struktuře volného radkálu je orentace orbtu obsazeného nepárovým elektronem pevně fxovaná chemckým vazbam. Orbtální magnetcký moment nepárového elektronu ve volném radkálu v kondenzovaném prostředí proto nemůže an vykonávat preces kolem směru vnějšího magnetckého pole, an měnt vůč němu svou orentac. V základním orbtálním stavu je tedy efektvní orbtální magnetcký moment nepárového elektronu vždy nulový. Následkem toho je v prvním přblížení g-faktor volného radkálu roven g-faktoru volného elektronu g e. V druhém přblížení však nepatrné příměs vyšších orbtálních stavů nepárového elektronu spolu se spn-orbtální nterakcí vedou k výsledkům, ze kterých vyplývá, že g-faktor volného radkálu je obecně symetrckým tenzorem 2. řádu. Tenzory hyperjemné nterakce vystupující v druhém členu hamltonánu (3) jsou tenzory stejného typu. Velkost složek obou tenzorů závsí na volbě souřadného systému, ve kterém jsou vyjádřeny. Obecnou vlastností symetrckých tenzorů 2. řádu je, že lze vždy nalézt jejch tzv. hlavní soustavu souřadnou, ve které jsou nenulové pouze dagonální prvky, nazývané hlavním hodnotam tenzoru, a že jejch stopa je nvarantní vůč lbovolným rotačním operacím. Hlavní hodnoty tenzoru hyperjemné nterakce elektronového magnetckého momentu s magnetckým momentem -tého jádra se lší od hodnoty zotropní štěpící konstanty a o příspěvky dpolární hyperjemné nterakce mez oběma magnetckým momenty. Poněvadž první dva členy spnového hamltonánu (3) popsují anzotropní nterakce, budou jeho vlastní hodnoty, a tedy polohy čar v EPR spektru obecně závset na orentac volného radkálu vůč vnějšímu magnetckému pol. Závslost příspěvku prvního členu (3) na orentac volného radkálu vůč vnějšímu magnetckému pol je zřejmá. Anzotrope hyperjemné nterakce, popsané druhým členem (3), je důsledkem orentační závslost dpolární hyperjemné nterakce. Poněvadž možné orentace elektronového jaderných magnetckých momentů jsou určeny orentací vnějšího magnetckého pole, závsí velkost dpolární hyperjemné nterakce na orentac střední hodnoty polohového vektoru r, a tedy na orentac orbtu obsazeného nepárovým elektronem vůč vnějšímu magnetckému pol. V případech, kdy orentace volného radkálu podléhá rychlým a chaotckým změnám, jak je tomu např. v málo vskózních roztocích, dochází ke zprůměrování dpolární hyperjemné nterakce. Vzhledem k tomu, že stopa tenzoru dpolární hyperjemné nterakce je nulová, dpolární hyperjemná nterakce vymzí. Podmínkou pro takové zprůměrování je, aby v čase kratším, než je převrácená hodnota rozdílu extrémních hodnot dpolárního hyperjemného štěpení vyjádřeného ve frekvenčních jednotkách, zaujal volný radkál všechny všechny možné orentace vůč vnějšímu magnetckému pol. Za těchto podmínek se hyperjemné nterakce ve volném radkálu redukují na Fermho kontaktní nterakce. Rychlým a chaotckým změnam orentace volného radkálu v málo vskózních rozpouštědlech je zprůměrován příspěvek prvního členu spnového hamltonánu (3) na hodnotu charakterzovanou tzv. zotropním g-faktorem volného radkálu g=(g x x +g y y +g z z )/3. Podmínkou pro takové zprůměrování opět je, aby změny orentace volného radkálu byly dostatečně rychlé a neuspořádané tak, aby v čase kratším, než je převrácená hodnota rozdílu příspěvků tohoto členu odpovídajících extrémním hodnotám dagonálních prvků tenzoru g vyjádřeného ve frekvenčních jednotkách, zaujal volný radkál všechny možné orentace vůč vnějšímu magnetckému pol. 2

Z provedeného rozboru vyplývá, že volný radkál v roztoku o nízké vskoztě lze popsat zotropním spnovým hamltonánem =g μ B B 0 Ŝ+ a Î Ŝ g μ N Î B 0. (4) hrnutí, doplnění předchozího podle přednášky prof. Štěpánkové Volný atom (ont) (Russel-oundersovo schéma) Uvažme postupně jednotlvé členy hamltonánu: Coulombcké nterakce, spn-spnové nterakce uvntř atomu spn atomu kvantové číslo orbtální moment atomu kvantové číslo L energe soustavy závsí na q, L, orbtální a spnová degenerace spn-orbtální nterakce celkový moment hybnost kvantové číslo J energe soustavy závsí na q,l,, J Hundova pravdla určují základní stav nterakce s vnějším magnetckým polem H ZJ =g J μ B J z B ext (4) 2J +1 ekvdstantních hladn Zeemanovský multplet možno pozorovat EPR přechody s Δ J z =±1 ndukované střídavým magnetckým polem rezonanční podmínka: ħ ω 0 =g J μ B B ext hyperjemné nterakce nterakce mez magnetckým momenty elektronu (l, s) a jádra (I) hf = μ 0 2 π γ e γ I ħ Î [ 2 l r + 1 3 r ( 3 3 r( nold s r) r 2 ŝ ) + 8 3 π ŝ δ(r) ] (5) každá hladna Zeemanovského multpletu se rozštěpí na 2I + 1 hladn => hyperjemná struktura EPR spektra jaderné členy jaderný zeemanovský multplet (jaderná dpólová nterakce apod.) jaderná kvadrupólová nterakce obecně slabší 3

Atom zabudovaný v látce účnky krystalového pole působení sousedních atomů H kr záleží na relatvní velkost jednotlvých nterakcí: slabé, středně slné, slné krystalové pole slabé stuace podobná volnému atomu (ontu) často středně slné krystalové pole - zamrzání orbtálního momentu, pouze malý vlv daný spn-orbtální nterakcí efektvní spnový hamltonán je možno vyjádřt pomocí spnového operátoru Ŝ elektronový zeemanovský člen hyperjemná nterakce Î A Ŝ jaderný zeemanovský člen B ext g μ B Ŝ Podobně pro molekuly volných radkálů: Krystal: =B ext g Ŝ + k I ( k) A ( k) Ŝ k nehybná orentace vůč B ext γ k ħ I ( k) B ext (6) spektrum EPR závsí na orentac hlavních os g resp. A tenzorů (tj. na orentac molekuly) vůč směru vnějšího pole Polykrystal: superpozce spekter pro různé orentace s relatvní četností danou pravděpodobností dané orentace Kapalny, málo vazké roztoky, malé molekuly anzotropní nterakce se středují př rychlých náhodných rotacích molekul ve vztazích zůstává třetna stopy tenzorů pro hyperjemnou nterakc stopa je daná jen Fermho kontaktní nterakcí závslost na elektronové hustotě na jádře Příklad: a) gnál atomu vodíku bude mít střed na g=2,0022, bude rozštěpen na dublet 1:1 hyperjemnou nterakcí s jádrem. b) gnál metylového radkálu H 3 C* bude mít střed na g=2,00255, bude rozštěpen na kvartet 1:3:3:1 hyperjemnou nterakcí s třem ekvdstantním vodíkovým jádry 4

Expermentální technka: rezonátory, vlnová technka (frekvence EPR jsou vysoké (řádově GHz), proto pro jsou přenos sgnálu potřeba vlnovody, ) EPR se měří kontnuálně Lteratura [1] Poznámky z přednášky prof. Štěpánkové. [2] V. Prosser a kol. : Expermentální metody bofyzky, ACADEMIA, Praha, 1989 5