Spektroskopia dla (nie) kompletnie zielonych #15 Pole magnetyczne

Pisząc ten post miałem problem, od czego zacząć aby dobrze wytłumaczyć, zasadniczo trudny, nawet jak na spektro temat. No a jak nie wie się od czego zacząć to najlepiej zacząć od początku.

Więc, foton jest to zarówno fala elektromagnetyczna i korpuskuła... No dobra, nie aż tak od początku ;)

Każda substancja w jakiś sposób oddziałuje z polem magnetycznym. Zasadniczo rozróżniamy 2 rodzaje materiałów: Diamagnetyki i Paramagnetyki. Diamagnetyki charakteryzują się tym, że nie posiadają trwałego momentu magnetycznego, a ich podatność magnetyczna (czyli to jak bardzo pole działa na nie) jest bardzo mała i ujemna (czyli będą uciekać z tego pola, ale bardzo powoli, z małą siłą).

Paramagnetyki są w zasadzie ich odwrotnością, posiadają trwały moment magnetyczny, a ich podatność jest stosunkowo duża. Dzielą się one jeszcze na inne rodzaje, ale to nie jest tematem naszych rozważań.

Wyobraźmy sobie elektron jako naładowaną elektrycznie kulkę która obraca się wokół własnej osi. To oczywiście spin wynoszący s=1/2. Wirowanie to powoduje powstanie momentu magnetycznego. Jako, że elektron naładowany jest ujemnie - wektor momentu będzie skierowany przeciwnie do wektora momentu pędu elektronu (Jeśli to słownictwo jest dla Ciebie niezrozumiałe, wróć do poprzednich postów z serii, zwłaszcza tych pierwszych). I teraz najlepsze, jak wiemy mogą istnieć 2 takie same elektrony o ile mają różny spin, tzn jeden ma 1/2 a drugi -1/2. W takim wypadku wektory magnetyczne się znoszą . To bardzo ważne w kontekście określania czy dany atom jest diamagnetykiem czy paramagnetykiem. Kluczowe jest tutaj to, aby miał niesparowane elektrony.

Oczywiście to nie wszystko, bo oprócz tego, że elektron wiruje, to jeszcze porusza się po orbicie, tym samym tworząc pole magnetyczne, jednak jest to temat na zupełnie inną serię i rozwijanie go nie jest konieczne w tym momencie. Ważne jest to aby zrozumieć, że warunkiem koniecznym dla trwałego momentu magnetycznego jest to, aby cząsteczka/jon posiadał niesparowane elektrony (im więcej tym moment większy), w przeciwnym wypadku będzie diamagnetykiem.

No dobrze, a co z jądrami? No jądra są dodatnio naładowane i wirują wokół własnej osi, więc mają wektor momentu magnetycznego który jest zgodny z wektorem momentu pędu, jednak wektor ten jest bardzo mały i o ile każda substancja jest w jakiś sposób czuła na pole magnetyczne, tak to wpływ elektronów decyduje o tym czy materiał jest paramagnetyczny czy diamagnetyczny.

Jednocześnie powyższa informacja nie jest też do końca prawdziwa bo taki Węgiel 12 czy Tlen 16 nie posiadają w swoich jądrach momentu magnetycznego. Ostatecznie więc przyjmijmy, że pojęcia te po prostu dobrze znać, natomiast w przypadku spektroskopii nie warto zagłębiać się w ich naturę, bo na tym etapie nie jest to do niczego potrzebne, a sam magnetyzm pierwiastków jest tematem bardzo zawiłym i długim.

Boli Was głowa? Mnie też, dam Wam w takim razie radę, ten post jest tylko do przeczytania, nie uczcie się go na pamięć, chodzi tutaj raczej o zrozumienie, że istnieją takie pojęcia i z nich biorą się kolejne informacje które już będą nam przydatne przy opisie oddziaływań zewnętrznego pola magnetycznego z materią.

Bo właśnie oddziaływanie fali z materią jest tym co najbardziej interesuje nas w Spektro. Generalnie działa to w ten sposób, że póki nie ma zewnętrznego pola, tzn nie patrzymy na próbkę - nic się z nią nie dzieje. Wszystkie momenty są rozrzucone bezładnie, co innego w przypadku przyłączenia zewnętrznego pola, nooo wtedy to jest! Momenty orientują się zgodnie z zasadami, tzn np. Ferromagnetyki układają się symetrycznie do pola, ale nieważne. Istotne jest to, że następuje rozszczepienie zerowego poziomu na 2J +1 lub 2l + 1 poziomów. I teraz trzeba się skupić.

Rozszczepienie poziomów, jest tym większe, im większe jest indukowane pole magnetyczne, a poziomy te, jak się domyślamy są dyskretne. Dyskretne, czyli ściśle określone, czyli jesteśmy już w domu!

Dlaczego? Ano dlatego, że dotarliśmy do znanego warunku, że energia fotonu musi być równa przerwie energetycznej aby doszło do przejścia. O ile jednak wcześniej było to związane z typowo materiałowymi właściwościami, tak tutaj czynnikiem tym jest własnie siła pola, podawana w Teslach (chodzi o jednostkę, nie o samochody).

Jest to dosyć ciekawa sprawa, bo mamy tutaj niejako 2 zmienne, jeśli mamy lampę czy po prostu emiter fal o danej częstości, to możemy dopasować zewnętrzne pole tak aby uzyskać rezonans i na odwrót. Po drugiej stronie są jednak pieniądze i ograniczenia techniki. Generalnie najlepszą sytuacją było bardzo duże pole, wtedy przerwy między poziomami byłyby na tyle wielkie aby stosunek obsadzeń poziomów nie osiągnął szybko jedności (wtedy absorpcja promieniowania zostanie wstrzymana i nie dowiemy się już nic), ponieważ w przeciwieństwie do poprzednich rodzajów spektroskopii, tutaj poziomy spinowe są bardzo, ale to bardzo blisko siebie. Wobec tego spektroskopia rezonansu magnetycznego jest dosyć trudna, zwłaszcza technicznie ponieważ jedyną radą jest wysokie pole magnetyczne, którego indukcja niestety kosztuje.

I to by było na tyle takich podstaw dotyczących magnetyzmu, w kolejnym odcinku porozmawiamy sobie o NMR, potem EPR i prawdopodobnie przejdziemy do masówki która zakończy tę serię.

Źródła
Podstawy spektroskopii molekularnej - Zbigniew Kęcki